Der LHC ist vor allem für seine Proton-Proton-Kollisionen bekannt, die schließlich zur Entdeckung des Higgs-Bosons und des Higgs-Feldes führten, die Elektronen, Quarks und anderen Elementarteilchen Masse verleihen. Im Teilchenbeschleuniger können jedoch auch schwere Ionen, größere Atome oder Moleküle kollidieren, die durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen elektrische Ladung erhalten. Und die Kollisionen schwerer Ionen können ein Quark-Gluon-Plasma (QGP) erzeugen, das es uns ermöglicht, den Zustand des frühen Universums zu verstehen.
Wie die CERN-Forscher zusammenfassen, war das Universum wenige Millisekunden nach dem Urknall mit einer unglaublich heißen, dichten Suppe von Teilchen aller Art gefüllt, die sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit bewegten. In dieser Mischung dominierten Quarks - die grundlegenden Teilchen der Materie - und Gluonen, die Träger der starken Wechselwirkung, die Quarks normalerweise zu den bekannten Protonen, Neutronen und anderen Teilchen zusammenkleben. In den ersten Momenten, als die Temperatur extrem hoch war, waren Quarks und Gluonen jedoch nur schwach aneinander gebunden und konnten sich im sogenannten Quark-Gluon-Plasma frei bewegen.
Um ähnliche Bedingungen wie im frühen Universum herzustellen, werden in leistungsstarken Beschleunigern riesige Ionen, wie Gold- oder Bleiatome, zur Kollision gebracht. Bei diesen Schwerionenkollisionen stoßen Hunderte von Protonen und Neutronen in den Atomen mit einer Energie von jeweils mehreren Billionen Elektronenvolt aufeinander. Dabei entsteht ein winziger Feuerball, in dem alles "schmilzt" und zu einem Quark-Gluon-Plasma wird.
Im LHC sind bisher schwerere Blei-Ionen, die normalerweise aus 82 Protonen und 126 Neutronen bestehen, miteinander kollidiert. Kürzlich wurde jedoch ein neues Experiment gestartet, bei dem Ionen mit viel geringerer Masse miteinander kollidieren. Dabei werden Sauerstoffionen mit Sauerstoffionen, Neonen mit Neonen und Protonen mit Sauerstoffatomen zur Kollision gebracht.
"Mit diesen Kollisionsschemata können wir untersuchen, wie sich die Eigenschaften von QGP mit der Größe des Systems entwickeln", erklärt Riccardo Longo, Physiker in der ATLAS-Schwerionengruppe, in einer Erklärung. "Obwohl wir dank der Untersuchung von Proton-Proton-Kollisionen ein gutes Verständnis der starken Wechselwirkung unter 'kalten' Bedingungen haben, haben wir auch ein gutes Verständnis der starken Wechselwirkung in extrem heißen und dichten Umgebungen, wie z. B. in Blei-Blei-Kollisionen. Aber die Frage bleibt: Was passiert dazwischen? Wir hoffen, dass diese leichteren Systeme es uns ermöglichen werden, die Lücke zu schließen.
Obwohl die Physiker eine Vorstellung davon haben, was sie zu erwarten haben, können solche Experimente viele Überraschungen bieten. "Im Moment gibt es nur Theorien darüber, wie diese Systeme auf solche Energien reagieren", sagte Ivan Amos Cali, ein Mitglied des CMS-Schwerionenteams, das hauptsächlich Kollisionen untersuchen wird, in einer Erklärung. "Dies ist das erste Mal, dass wir wirklich sehen können, was passiert - niemand hat bisher diese Art von Messung durchgeführt."
Bei der Untersuchung von Schwerionen- und Xenon-Xenon-Kollisionen haben ATLAS-Forscher zuvor ein seltsames Phänomen beobachtet, bei dem hochenergetische Teilchen beim Durchgang durch das Quark-Gluon-Plasma Energie verlieren. Bei Proton-Blei-Kollisionen, die ein kleineres Quark-Gluon-Plasmasystem bilden, wurde dies jedoch nicht beobachtet.
"Die Theorie besagt, dass wir die Anfänge des Phänomens in Sauerstoff-Sauerstoff-Kollisionen sehen sollten", sagt Longo.
Von Interesse ist bei diesen Studien auch der "kollektive Fluss", der bei der kollektiven Bewegung von Teilchen beobachtet wird, die das Quark-Gluon-Plasma verlassen. Die Untersuchung von Sauerstoffkollisionen kann dazu beitragen, dieses kollektive Verhalten zu verstehen, und gleichzeitig Informationen über die geometrische Struktur von Sauerstoffatomen liefern. Gleichzeitig können Neonkollisionen auch Informationen über die Struktur von Neon liefern, von der man annimmt, dass sie die Form einer Bowlingpuppe hat. Die Form selbst könnte auch Auswirkungen auf die Bildung des Quark-Gluon-Plasmas haben.
"Noch besser ist, dass die Kollisionen von Sauerstoff und Neon einander folgen", fügt Qipeng Hu, Leiter der ATLAS-Gruppe für Schwerionenphysik, hinzu. "Dies bietet unglaublich wertvolle Vergleichsdaten, da die experimentellen Bedingungen genau die gleichen sind."
Obwohl Kollisionen am LHC Routine sind, bringt die Kollision leichterer Elemente neue Herausforderungen mit sich, wie zum Beispiel das Problem der Strahlverunreinigung. "Dieses Problem tritt bei Protonenstrahlen nicht auf, wohl aber bei Sauerstoff", erklärt Roderik Bruce, ein Ionenexperte am LHC. "Bei jeder Kollision mit Sauerstoffionen entstehen Sekundärteilchen mit demselben Verhältnis von Ladung zu Masse, die den Strahl kontaminieren und die Analyse erschweren können. Daher könnte es irgendwann notwendig sein, den Strahl zu leeren und einen neuen, sauberen Sauerstoffstrahl einzuführen, aber das Ausmaß der Transmutation ist noch nicht bekannt. Das wird die Datenanalyse zeigen."
Die neuen Tests werden vom 1. bis 9. Juli durchgeführt.
