Teil des Compact Muon Solenoid-Detektors des Large Hadron Collider. (CERN) Ein mysteriöses Teilchen, von dem angenommen wird, dass es kurz danach existierte Urknall wurde nun erstmals in der „Ursuppe“ nachgewiesen.
Konkret in einem Medium namens Quark-Gluon-Plasma, das im Large Hadron Collider durch kollidierende Bleiionen erzeugt wird. Dort gelang es den Physikern, aus den Billionen von Teilchen, die durch diese Kollisionen entstanden, 100 der exotischen Partikel, die als X-Teilchen bekannt sind, herauszulocken.
„Das ist erst der Anfang der Geschichte“ sagt der Physiker Yen-Jie Lee des MIT und Mitglied des International CMS-Zusammenarbeit mit Hauptsitz am CERN in der Schweiz.
„Wir haben gezeigt, dass wir ein Signal finden können.“ „In den nächsten Jahren wollen wir das Quark-Gluon-Plasma nutzen, um die innere Struktur des X-Teilchens zu untersuchen, was unsere Sicht darauf, welche Art von Material das Universum produzieren sollte, verändern könnte.“
Nur wenige Augenblicke nach dem Urknall bestand das sehr frühe Universum nicht aus demselben Stoff, den wir heute herumtreiben sehen. Stattdessen war es für einige Millionstel Sekunden mit auf Billionen Grad überhitztem Plasma gefüllt, das aus Elementarteilchen namens Quarks und Gluonen bestand. Das ist das Quark-Gluon-Plasma.
In kürzerer Zeit als ein Blinzeln dauerte es, bis das Plasma abgekühlt war und die Teilchen zusammenkamen, um die Protonen und Neutronen zu bilden, aus denen heute normale Materie besteht. Doch in diesem sehr kurzen Zeitsprung kollidierten die Teilchen im Quark-Gluon-Plasma, klebten zusammen und lösten sich in unterschiedlichen Konfigurationen wieder.
Eine dieser Konfigurationen ist ein so mysteriöses Teilchen, dass wir nicht einmal wissen, wie es zusammengesetzt ist. Dies ist das X-Teilchen, und es wurde in Teilchenbeschleunigern nur sehr selten und für kurze Zeit gesehen – zu kurz, um untersucht zu werden.
Theoretisch könnten X-Teilchen jedoch in den sehr kleinen Blitzen des Quark-Gluon-Plasmas auftreten, die Physiker in Teilchenbeschleunigern erzeugt haben schon seit einigen Jahren . Und dies könnte eine bessere Gelegenheit bieten, sie zu verstehen.
Während des Laufs des Large Hadron Collider 2018 wurden positiv geladene Bleiatome ( Bleiionen ) wurden mit hoher Geschwindigkeit zusammengeschleudert. Bei jeder dieser rund 13 Milliarden Kollisionen kam es zu einem Schauer von Zehntausenden Teilchen. Das ist entmutigend riesige Datenmenge durchzusieben.
„Theoretisch gibt es so viele Quarks und Gluonen im Plasma, dass die Produktion von X-Teilchen gesteigert werden sollte“, sagt Lee . „Aber die Leute dachten, es wäre zu schwierig, nach ihnen zu suchen, weil in dieser Quarksuppe noch so viele andere Teilchen enthalten sind.“
Obwohl X-Teilchen sehr kurzlebig sind, erzeugen sie beim Zerfall einen Schauer von Teilchen mit geringerer Masse. Um den Datenanalyseprozess zu optimieren, entwickelte das Team einen Algorithmus zur Erkennung der für den X-Teilchenzerfall charakteristischen Muster. Dann haben sie die LHC-Daten von 2018 in ihre Software eingespeist.
Der Algorithmus identifizierte ein Signal bei einer bestimmten Masse, das auf das Vorhandensein von etwa 100 X-Partikeln in den Daten hinwies. Das ist ein ausgezeichneter Anfang.
„Es ist fast undenkbar, dass wir diese 100 Partikel aus diesem riesigen Datensatz herausfiltern können“, Sagte Lee .
Zum jetzigen Zeitpunkt reichen die Daten nicht aus, um mehr über die Struktur des X-Teilchens zu erfahren, aber die Entdeckung könnte uns näher bringen. Da wir nun wissen, wie wir die Signatur des X-Teilchens finden, sollte es viel einfacher sein, sie in zukünftigen Datensätzen herauszufinden. Je mehr Daten uns zur Verfügung stehen, desto einfacher wird es, sie zu verstehen.
Protonen und Neutronen bestehen jeweils aus drei Quarks. Physiker glauben, dass X-Teilchen aus vier Teilchen bestehen könnten – entweder einem exotischen, fest gebundenen Teilchen, das als a bekannt ist Tetraquark oder eine neue Art von locker gebundenen Teilchen, die aus zwei Mesonen bestehen, die jeweils zwei Quarks enthalten. Wenn es ersteres ist, zerfällt es langsamer als letzteres, weil es fester gebunden ist.
„Derzeit stimmen unsere Daten mit beiden überein, da wir noch nicht über genügend Statistiken verfügen.“ „In den nächsten Jahren werden wir viel mehr Daten sammeln, um diese beiden Szenarien trennen zu können“, sagt Lee .
„Das wird unseren Blick auf die Arten von Teilchen erweitern, die im frühen Universum reichlich produziert wurden.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchung .