Bottom-Quarks am LHC

Der Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) des CERN wurde von der Kollision von Protonen einmal im Jahr auf die Kollision von Kernen wichtiger Atome umgeschaltet, um Materie in einem Zustand zu reproduzieren, der dem der Geburtsstunde des Universums gleicht. Zu diesem Zeitpunkt waren Quarks nicht an Gluonen aus Protonen und Neutronen gebunden. Stattdessen bewegten sich diese Elementarteilchen frei in einem Zustand, den Wissenschaftler als Quark-Gluon-Plasma bezeichnen.

Das von der EU geförderte Projekt „Particle flow in heavy-ion collisions with CMS“ (PF4CMSHI) zielte darauf ab, besagte Kollisionen von Schwerionen unter Verwendung des CMS-Experiments (Compact Muon Solenoid) zu untersuchen. Dieses allgemeine, am LHD durchgeführte Experiment ermöglicht die Entdeckung von Quarks-Strahlen, die sich vom Kollisionspunkt wegbewegen. Im Rahmen des Projekts wurden zum ersten Mal Strahlen von Bottom-Quarks beobachtet.

Die PF4CMSHI-Wissenschaftler waren in der Lage, diese Strahlen durch die genaue Rekonstruktion von Hadronen-Flugbahnen voneinander zu unterscheiden. Die Tracking-Algorithmen der CMS wurden für die Kollisionen von Schwerionen verwendet und alle Hadronen-Flugbahnen zurück zur Kollisionsstelle extrapoliert. Hadronen in Strahlen, die mit der Erzeugung von Bottom-Quarks initiiert wurden, entstammten einer weiter entfernten Stelle als der, an der der Bottom-Quark zerfallen war.

Die Messungen waren außerdem von einer ausreichenden Genauigkeit, um zu demonstrieren, dass Strahlen von Bottom-Quarks infolge von Interaktionen mit dichtem Plasma, das sich um die Kollisionsstelle herum befindet, zerfallen. Die Projektwissenschaftler offenbarten, wie dieses Phänomen (das als Jet-Quenching bezeichnet wird) den Quark-Flavour bedingt. Dies wurde von Theoriemodellen vorhergesagt.

Durch diese Entdeckung wurde ein wichtiger Schritt in unbekanntes Terrain gemacht. Das volle Potenzial des CMS-Experiments zur Untersuchung von Quark–Gluon-Plasma über Kollisionen von Schwerionen muss allerdings erst noch ausgeschöpft werden. Das PF4CMSHI-Projekt hat die Position Europas im Bereich der CMS-Schwerionen-Gruppe gestärkt. Diese relative kleine Gruppe besteht aus etwa 100 Physikern, die überwiegend aus den Vereinigten Staaten stammen und ebnet neue Wege zur LHC-Forschung.