Am Freitag, den 18. November, wurde im Large Hadron Collider (LHC) ein Test unter Verwendung von Kollisionen von Bleiionen durchgeführt und bot den Experimenten Gelegenheit, die neuen Detektoren und neuen Datenverarbeitungssysteme vor der Blei-Blei-Physik im nächsten Jahr zu validieren Lauf.
Nach dem erfolgreichen Start von Run 3 im Juli dieses Jahres, bei dem es zu Proton-Proton-Kollisionen mit der Rekordenergie von 13,6 TeV kam, waren am vergangenen Freitag nach vier Jahren Pause wieder Bleikerne an der Reihe, im LHC zu zirkulieren. Bleikerne bestehen aus 208 Nukleonen (Protonen und Neutronen) und werden am LHC zur Untersuchung von Quark-Gluon-Plasma (QGP) verwendet, einem Zustand der Materie, in dem die elementaren Bestandteile, Quarks und Gluonen, nicht in Nukleonen eingeschlossen sind, sondern sich bewegen und interagieren können über ein viel größeres Volumen.
Bei dem am vergangenen Freitag durchgeführten Test wurden Bleikerne beschleunigt und kollidierten mit einer Rekordenergie von 5,36 TeV pro Nukleon-Nukleon-Kollision. Dies ist ein wichtiger Meilenstein in der Vorbereitung auf die Physikläufe mit Blei-Blei-Kollisionen, die für 2023 und die Folgejahre Run 3 und Run 4 geplant sind. Bei Blei-Blei-Kollisionen kann jedes der 208 Nukleonen von einem der Bleikerne abfallen mit einem oder mehreren Nukleonen des anderen Leitkerns wechselwirken.
Der CERN-Ioneninjektorkomplex wurde in Vorbereitung auf eine Verdopplung der Gesamtintensität der Bleiionenstrahlen für den High-Luminosity LHC einer Reihe von Upgrades unterzogen. Um dieses Ziel zu erreichen, muss im Super Proton Synchrotron (SPS) eine Technik namens „Impuls-Slip-Stacking“ verwendet werden, bei der zwei Chargen von vier Blei-Ionen-Bündeln, die durch 100 Nanosekunden getrennt sind, „rutschen“, um eine einzelne Charge von 8 Blei-Bündeln zu erzeugen 50 Nanosekunden getrennt.
Dadurch kann die Gesamtzahl der in den LHC injizierten Bündel von 648 in Lauf 2 auf 1248 in Lauf 3 und weiter steigen. Nachdem alle Upgrades abgeschlossen sind, wird der LHC im Vergleich zu den vergangenen Läufen eine zehnmal höhere Anzahl von Schwerionenkollisionen liefern.
Der Test war auch ein entscheidender Meilenstein für ALICE, das LHC-Experiment, das auf die Untersuchung von Blei-Ionen-Kollisionen spezialisiert ist. Der ALICE-Apparat wurde während der kürzlichen Abschaltung des LHC aufgerüstet und verfügt nun über mehrere völlig neue oder stark verbesserte Detektoren sowie neue Hardware und Software für die Datenverarbeitung.
Die neuen Detektoren bieten eine höhere räumliche Auflösung bei der Rekonstruktion der Bahnen und Eigenschaften der bei Kollisionen erzeugten Teilchen. Außerdem können die verbesserte Vorrichtung und die verbesserte Verarbeitungskette die vollständigen Kollisionsinformationen mit einer um zwei Größenordnungen höheren Rate aufzeichnen.
Andere Experimente nutzten den Testlauf, um ihre aufgerüsteten und neu installierten Subsysteme in der neuen Schwerionenumgebung mit höherer Energie und 50 ns Bündelabstand in Betrieb zu nehmen. ATLAS testete Upgrades seiner Auswahl-(Trigger-)Software, die darauf ausgelegt ist, die Erfassung von Schwerionenphysikdaten in Lauf 3 zu verbessern. Insbesondere testeten Physiker einen neuen Partikelspur-Trigger, der darauf ausgelegt ist, ein breiteres Spektrum von „ultraperipheren Kollisionen“ zu erkennen „.
CMS hat mehrere Komponenten seiner Auslese-, Datenerfassungs-, Trigger- und Rekonstruktionsketten aktualisiert, um die hochenergetischen Blei-Blei-Kollisionen voll ausnutzen zu können.
Die vom LHC gelieferten Blei-Blei-Füllungen ermöglichten es CMS, das gesamte System mit Strahl in Betrieb zu nehmen und die Bereiche zu erkennen, die für die Schwerionenläufe im Jahr 2023 weiter optimiert werden könnten. LHCb begann mit der Inbetriebnahme seines brandneuen Detektors unter den herausfordernden Bedingungen von Blei-Blei-Kollisionen, die durch eine sehr große Partikelvielfalt gekennzeichnet sind. Zusätzlich zu den Blei-Blei-Kollisionen sammelte LHCb Blei-Argon-Kollisionen im Fixed-Target-Modus unter Verwendung des neuen SMOG2-Systems, das für das Experiment einzigartig ist und dazu bestimmt ist, Edelgase in den LHCb-Kollisionsbereich zu injizieren.
Auch wenn es sehr kurz ist, kann das Blei-Blei-Programm 2022 als Erfolg für den LHC-Beschleuniger, die Experimente und den Schwerioneninjektorkomplex des CERN angesehen werden. Die vier großen LHC-Detektoren sahen und zeichneten erstmals Blei-Blei-Kollisionen mit einer neuen Rekordenergie auf. Nun freuen sich die Forscher auf die Schwerionenphysik-Kampagne im Jahr 2023 und in den Folgejahren.