Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Was Wasserstoff-Blei-Kollisionen mit dem Urknall zu tun haben

08.10.2013
Messungen des LHCb-Detektors am CERN liefern wichtige Daten zum Verständnis des Materiezustands am Beginn unseres Universums.

Wissenschaftler der LHCb-Kollaboration haben erstmals energiereiche Kollisionen von Wasserstoff- und Bleikernen untersucht und die Produktion einer bestimmten Sorte kurzlebiger Teilchen detailliert gemessen.


Eine Proton-Blei-Kollision, beobachtet mit dem LHCb-Detektor während der Messphase.
Grafik: LHCb-Kollaboration

Die Ergebnisse sind ein entscheidendes Puzzleteil zum Verständnis der extrem heißen Materie unmittelbar nach dem Urknall.

Die Bausteine von Atomkernen – Protonen und Neutronen – bestehen aus Quarks. Von diesen fundamentalen Teilchen kennen die Physiker 6 verschiedene Arten und dazu die entsprechenden Antiteilchen. Quarks treten nicht isoliert, sondern nur in zusammengesetzten Teilchen auf, in denen sie von Gluonen (Austauschteilchen der starken Kernkraft) zusammengehalten werden. Proton und Neutron, zum Beispiel, bestehen aus jeweils 3 Quarks.

Unmittelbar nach dem Urknall waren Quarks und Gluonen noch nicht in Elementarteilchen gebunden. Stattdessen bildete die extrem heiße Materie einen unstrukturierten „Brei“, ein sogenanntes Quark-Gluon-Plasma. Auch in sehr energiereichen „Frontalzusammenstößen“ von Kernen schwerer Elemente wie z.B. Blei kann für extrem kurze Zeitspannen ein Quark-Gluon-Plasma von Atomkerngröße entstehen, bevor tausende, meist kurzlebige Teilchen von der „Unfallstelle“ davon fliegen. Nachweisen lässt sich ein Quark-Gluon-Plasma nur indirekt, z.B. dadurch, dass die Bildung bestimmter Teilchen in der Reaktion relativ unterdrückt ist. Allerdings kann auch normale „kalte“ Kernmaterie solche Effekte bewirken.

Es ist also erforderlich, beide Effekte aufzudröseln, wenn man das Quark-Gluon-Plasma verstehen und damit mehr über den Urknall lernen will. Bei Kollisionen von Protonen mit schweren Kernen oder von Protonen untereinander kann kein Quark-Gluon-Plasma entstehen, während die Effekte der kalten Kernmaterie auftreten. Deshalb hat die an der LHCb-Kollaboration beteiligte Gruppe von Michael Schmelling vom MPI für Kernphysik sich maßgeblich für ein Experiment engagiert, das gleichzeitig ein neues Einsatzgebiet für den LHCb-Detektor darstellt: Kollisionen von Blei-Kernen mit Protonen (Wasserstoffkernen). Ein erstes Resultat ist die Messung der Produktion einer bestimmten Sorte schwerer Teilchen, sogenannter J/ψ Mesonen. In Blei-Blei-Stößen dagegen entstehen so extrem viele Teilchen, dass LHCb aufgrund seiner Konstruktion quasi geblendet und möglicherweise sogar beschädigt würde.

Der LHCb-Detektor, ca. 20 m lang und 10 m hoch, ist der kleinste der vier großen Teilchendetektoren am Large Hadron Collider (LHC) des CERN. Seine Spezialität ist es, nahe am Kollisionspunkt und im spitzen Winkel zur Flugrichtung der Projektile die im Stoß erzeugten Teilchen zu registrieren. Mit seinen verschiedenen Komponenten kann er sowohl die Teilchen identifizieren als auch ihren Ursprungspunkt genau lokalisieren. Für das Experiment wurden Anfang des Jahres etwa 3 Wochen lang im LHC Protonen und Bleikerne mit entgegengesetzter Flugrichtung auf eine Energie von mehreren TeV pro Nukleon (ein Tera-Elektronenvolt ist die Energie, die ein Proton erhält, wenn es eine Spannung von einer Billion Volt durchfallen hat) beschleunigt und zur Kollision gebracht. Das ist ungefähr so, als würden ein Tischtennis- und ein Basketball frontal aufeinander geschossen. Um diese unsymmetrischen Kollisionen sozusagen von der Tischtennisball- und der Basketballseite aus untersuchen zu können, wurde nach 2 Wochen die Flugrichtung der beiden Strahlen umgekehrt.

In den Stößen werden J/ψ-Mesonen sowohl direkt, als auch über den Zerfall noch schwererer Teilchen gebildet, die erst einige Millimeter weit fliegen ehe sie zerfallen. LHCb kann diese beiden Beiträge unterscheiden. Die J/ψ-Mesonen selbst verraten sich anhand eines charakteristischen Zerfallsmusters. Wie erwartet unterscheidet sich ihre Produktion auf den beiden Reaktionswegen und hängt auch von der Beobachtungsrichtung ab. Die Messergebisse sind konsistent mit den leider noch recht unsicheren theoretischen Vorhersagen und in guter Übereinstimmung mit den parallel durchgeführten Messungen mit dem ALICE-Detektor am LHC. ALICE kann allerdings bloß die Summe von direkten und indirekten Beiträgen messen.

„Zusammen mit den früheren Messungen aus Proton-Proton-Stößen schaffen die Proton-Blei-Resultate damit die Voraussetzung, die Eigenschaften des Quark-Gluon-Plasmas am LHC mit hoher Genauigkeit zu bestimmen“, resümiert Michael Schmelling.

Originalpublikation:
Study of J/ψ production and cold nuclear matter effects in pPb collisions, LHCb Collaboration

arXiv:1308.6729 [nucl-ex] http://arxiv.org/abs/1308.6729

Kontakt:

Prof. Dr. Michael Schmelling
Max-Planck-Institut für Kernphysik
Tel.: 06221 516511
E-Mail: michael.schmelling@mpi-hd.mpg.de
Weitere Informationen:
http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/ - LHCb-Experiment

Dr. Bernold Feuerstein | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpi-hd.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Quantenmechanik ist komplex genug – vorerst …
21.04.2017 | Universität Wien

nachricht Tief im Inneren von M87
20.04.2017 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Immunzellen helfen bei elektrischer Reizleitung im Herzen

Erstmals elektrische Kopplung von Muskelzellen und Makrophagen im Herzen nachgewiesen / Erkenntnisse könnten neue Therapieansätze bei Herzinfarkt und Herzrhythmus-Störungen ermöglichen / Publikation am 20. April 2017 in Cell

Makrophagen, auch Fresszellen genannt, sind Teil des Immunsystems und spielen eine wesentliche Rolle in der Abwehr von Krankheitserregern und bei der...

Im Focus: Tief im Inneren von M87

Die Galaxie M87 enthält ein supermassereiches Schwarzes Loch von sechs Milliarden Sonnenmassen im Zentrum. Ihr leuchtkräftiger Jet dominiert das beobachtete Spektrum über einen Frequenzbereich von 10 Größenordnungen. Aufgrund ihrer Nähe, des ausgeprägten Jets und des sehr massereichen Schwarzen Lochs stellt M87 ein ideales Laboratorium dar, um die Entstehung, Beschleunigung und Bündelung der Materie in relativistischen Jets zu erforschen. Ein Forscherteam unter der Leitung von Silke Britzen vom MPIfR Bonn liefert Hinweise für die Verbindung von Akkretionsscheibe und Jet von M87 durch turbulente Prozesse und damit neue Erkenntnisse für das Problem des Ursprungs von astrophysikalischen Jets.

Supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien sind eines der rätselhaftesten Phänomene in der modernen Astrophysik. Ihr gewaltiger...

Im Focus: Deep inside Galaxy M87

The nearby, giant radio galaxy M87 hosts a supermassive black hole (BH) and is well-known for its bright jet dominating the spectrum over ten orders of magnitude in frequency. Due to its proximity, jet prominence, and the large black hole mass, M87 is the best laboratory for investigating the formation, acceleration, and collimation of relativistic jets. A research team led by Silke Britzen from the Max Planck Institute for Radio Astronomy in Bonn, Germany, has found strong indication for turbulent processes connecting the accretion disk and the jet of that galaxy providing insights into the longstanding problem of the origin of astrophysical jets.

Supermassive black holes form some of the most enigmatic phenomena in astrophysics. Their enormous energy output is supposed to be generated by the...

Im Focus: Neu entdeckter Exoplanet könnte bester Kandidat für die Suche nach Leben sein

Supererde in bewohnbarer Zone um aktivitätsschwachen roten Zwergstern gefunden

Ein Exoplanet, der 40 Lichtjahre von der Erde entfernt einen roten Zwergstern umkreist, könnte in naher Zukunft der beste Ort sein, um außerhalb des...

Im Focus: Resistiver Schaltmechanismus aufgeklärt

Sie erlauben energiesparendes Schalten innerhalb von Nanosekunden, und die gespeicherten Informationen bleiben auf Dauer erhalten: ReRAM-Speicher gelten als Hoffnungsträger für die Datenspeicher der Zukunft.

Wie ReRAM-Zellen genau funktionieren, ist jedoch bisher nicht vollständig verstanden. Insbesondere die Details der ablaufenden chemischen Reaktionen geben den...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungen

Baukultur: Mehr Qualität durch Gestaltungsbeiräte

21.04.2017 | Veranstaltungen

Licht - ein Werkzeug für die Laborbranche

20.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Intelligenter Werkstattwagen unterstützt Mensch in der Produktion

21.04.2017 | HANNOVER MESSE

Forschungszentrum Jülich auf der Hannover Messe 2017

21.04.2017 | HANNOVER MESSE

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungsnachrichten