Im frühen Universum war es 250.000 Mal heißer als im Kern unserer Sonne. Das ist viel zu heiß, um die Protonen und Neutronen zu bilden, aus denen unsere alltägliche Materie besteht. Wissenschaftler stellen die Bedingungen des frühen Universums in Teilchenbeschleunigern nach, indem sie Atome bei nahezu Lichtgeschwindigkeit zusammenstoßen lassen.
Durch die Messung des resultierenden Partikelschauers können Wissenschaftler verstehen, wie Materie entstanden ist. Die von Wissenschaftlern gemessenen Partikel können auf verschiedene Weise entstehen: aus der ursprünglichen Suppe aus Quarks und Gluonen oder aus späteren Reaktionen.
Diese späteren Reaktionen begannen 0,000001 Sekunden nach dem Urknall, als die aus Quarks bestehenden zusammengesetzten Teilchen begannen, miteinander zu interagieren.
Eine neue Berechnung ergab, dass bis zu 70 % einiger gemessener Partikel aus diesen späteren Reaktionen stammen und nicht aus Reaktionen, die denen des frühen Universums ähneln. Die Forschung ist veröffentlicht im Journal Physik Buchstaben B.
Diese Entdeckung verbessert das wissenschaftliche Verständnis der Ursprünge der Materie. Sie hilft zu bestimmen, wie viel der Materie um uns herum in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall entstand und wie viel Materie aus späteren Reaktionen entstand, als sich das Universum ausdehnte.
Dieses Ergebnis impliziert, dass große Mengen der Materie um uns herum später entstanden sind als erwartet. Um die Ergebnisse von Collider-Experimenten zu verstehen, müssen Wissenschaftler die in den späteren Reaktionen entstandenen Teilchen außer Acht lassen.
Nur die in der subatomaren Suppe gebildeten Teilchen verraten die frühen Bedingungen des Universums. Diese neue Berechnung zeigt, dass die Anzahl der gemessenen Teilchen, die in Reaktionen gebildet wurden, viel höher ist als erwartet.
In den 1990er Jahren erkannten Physiker, dass sich in späteren Reaktionen nach der ersten Entstehungsphase des Universums bestimmte Teilchen in beträchtlicher Zahl bilden. Teilchen, die als D-Mesonen bezeichnet werden, können miteinander interagieren und ein seltenes Teilchen, Charmonium, bilden.
Unter Wissenschaftlern herrschte kein Konsens darüber, wie wichtig dieser Effekt ist. Da Charmonium selten ist, ist es schwer zu messen. Neuere Experimente liefern jedoch Daten darüber, wie viele Charmonium- und D-Mesonen in Kollidern produziert werden.
Physiker der Yale University und der Duke University berechneten anhand der neuen Daten die Stärke dieses Effekts. Dieser erwies sich als deutlich signifikanter als erwartet. Mehr als 70 Prozent des gemessenen Charmoniums könnten in Reaktionen entstanden sein.
Wenn die heiße Suppe aus subatomaren Teilchen abkühlt, dehnt sie sich zu einem Feuerball aus. Dies alles geschieht in weniger als einem Hundertstel der Zeit, die Licht braucht, um ein Atom zu durchqueren. Da dies so schnell geht, sind sich die Wissenschaftler nicht sicher, wie genau sich der Feuerball ausdehnt.
Die neue Berechnung zeigt, dass Wissenschaftler die Details dieser Expansion nicht unbedingt kennen müssen. Bei den Kollisionen entsteht ohnehin eine beträchtliche Menge an Charmonium. Das neue Ergebnis bringt die Wissenschaftler dem Verständnis der Ursprünge der Materie einen Schritt näher.
Mehr Informationen:
Joseph Dominicus Lap et al, Hadronische J/ψ-Regeneration in Pb+Pb-Kollisionen, Physik Buchstaben B (2023). DOI: 10.1016/j.physletb.2023.138246