07.07.2023 • Kernphysik

Ein Modell zum Abbremsen schwerer Ionen

Neue Vorhersagen über die Kollision von schweren Ionen bei sehr hohen relativistischen Energien.

Wenn zwei schwere Ionen bei sehr hohen relati­vis­tischen Energien kollidieren, durchdringen sie sich gegenseitig. Dabei werden sie angeregt und abgebremst. Dieser als „Stoppen“ bezeichnete Vorgang lässt sich zwar mit experi­men­tellen Arbeiten, wie sie am Large Hadron Collider LHC des europä­ischen Forschungs­zentrums CERN durchgeführt werden, erzeugen. Das Abbrems­verhalten der Ionen kann jedoch am LHC bisher nicht direkt beobachtet werden. Ein inter­nationales Team unter Leitung von Georg Wolschin von der Uni Heidelberg hat nun berechnet, wie das Stoppen im Verlauf von Kollisionen bei sehr hohen Energien am LHC aussehen könnte. Die Wissen­schaftler erhoffen sich davon auch neue Erkenntnisse über ursprüngliche Materie­zustände des frühen Universums, insbesondere über die Wechsel­wirkung von Quarks mit Gluonen.

Abb.: Pb-Pb-Kollision bei ALICE. Die Blei-Ionen waren drei Tage lang im...
Abb.: Pb-Pb-Kollision bei ALICE. Die Blei-Ionen waren drei Tage lang im LHC-Be­schleu­niger unter­wegs. ALICE ist eines der Haupt­ex­pe­ri­mente am LHC, das vor allem von den Er­geb­nis­sen des für die Unter­su­chung von Kern­kol­li­sionen opti­mierten Blei-Blei-Ionen­strahls profi­tiert. Ziel ist es, die Physik der stark wech­selwir­ken­den Materie bei den höch­sten bisher im Labor er­reich­ten Energie­dichten zu unter­suchen. (Bild: D. Dobrig­keit Chinellato, CERN)

Schwere Ionen wie die Kerne von Atomen größerer Masse – zum Beispiel Gold oder Blei – sind positiv geladen und lassen sich in elektrischen Feldern bis nahe an die Licht­geschwin­dig­keit beschleunigen. Sie werden vor allem bei der Erforschung des Quark-Gluon-Plasmas eingesetzt. In diesem Urzustand der Materie bewegen sich die Elementar­teilchen Quarks und Gluonen frei, bevor sie Protonen, Neutronen oder andere stark wechsel­wirkende Teilchen bilden. Im frühen Universum gab es nach dem Urknall einen sehr ähnlichen exotischen Materie­zustand, der dort etwa zehn Mikro­sekunden andauerte. Ein solcher Zustand kann heute mithilfe von Teilchen­beschleu­nigern wie dem LHC sehr kurzzeitig für etwa 10-23 Sekunden zwar erzeugt, aber eben nicht unmittelbar, sondern nur indirekt beobachtet werden.

„Bei der Kollision schwerer Ionen werden diese abgebremst und gleichzeitig entstehen neue Elementar­teilchen“, erklärt Wolschin. Obwohl der Prozess des Stoppens bei niedrigeren Energien bereits präzise gemessen werden konnte, ist es bislang nicht möglich, das Stoppen von Schwerionen unter den sehr hohen Beschleu­nigungs­energien am LHC bei genügend kleinen Streuwinkeln zu erfassen. Eine am LHC mögliche Messung senkrecht zum Strahl reicht für ein voll­ständiges Verständnis nicht aus, so der Physiker. Mithilfe eines nicht­gleich­gewichts­statis­tischen Modells hat Wolschin jetzt in Zusammen­arbeit mit Kollegen aus Heidelberg und Japan Voraussagen darüber gemacht, wie dieser Vorgang des Stoppens aussehen könnte.

Ihren Berechnungen legten die Forscher ein relati­vis­tisches Diffusions­modell zugrunde. Dieses Modell beruht auf einer nicht­gleich­gewichts­statis­tischen Theorie und steht in Einklang mit der Quanten­chromo­dynamik, also der Theorie der starken Wechsel­wirkung. Zunächst glichen die Wissen­schaftler die aus Messungen bei niedrigeren Energien vor­liegenden Datensätze mit ihrem Modell ab. „Diese Daten lassen sich mit unserem relati­vis­tischen Diffusions­modell gut beschreiben“, so Wolschin. Auf dieser Grundlage gelang es dann, theoretische Vorhersagen über das Abbrems­verhalten von schweren Ionen bei den höheren Beschleu­nigungs­energien im Tera­elektronen­volt-Bereich am LHC abzuleiten. Um sie mit Daten aus experi­men­tellen Messungen vergleichen zu können, bedarf es jedoch zunächst einer Erweiterung der aktuell verfüg­baren Mess­appara­turen am LHC, wie der Wissen­schaftler betont.

Auf der Basis ihrer Berechnungen erwarten die Wissen­schaftler von zukünftigen experi­men­tellen Messungen am LHC neben der Bestätigung des vorher­gesagten Abbrems­verhaltens auch neue Einblicke in die Eigen­schaften von Gluonen. Diese masselosen Partikel sind in der Quanten­chromo­dynamik die Träger­teilchen der starken Wechsel­wirkung. Sie vermitteln die Kräfte zwischen Quarks und sind indirekt auch für die Anziehung von Protonen und Neutronen in einem Atomkern verantwortlich. Bei den Teilchen­kollisionen im LHC werden hohe Temperaturen erreicht. Die Gluonen können dabei elastisch, das heißt ohne Veränderung der Teilchenzahl, oder inelastisch, das heißt unter Erzeugung oder Vernichtung von Teilchen, miteinander wechsel­wirken. „Bei elastischer Wechsel­wirkung könnte im Prinzip ein neuer Materie­zustand, das Gluonen­kondensat, entstehen“, so Wolschin. „Es sollte möglich sein, die Bedingungen abzuleiten, unter denen dieser Zustand erreicht werden kann.“

U. Heidelberg / RK

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