ALICE-Experiment am CERN findet Hinweise auf Gluonen-Sättigung in Atomkernen

Ein Experiment am Large Hadron Collider des CERN hat den bisher detailliertesten Blick darauf geliefert, wie sich Gluonen – die Teilchen, die Quarks binden und fast die gesamte Masse der sichtbaren Materie erzeugen – in Atomkernen organisieren. Es meldet Hinweise auf einen lange vorhergesagten Zustand namens Gluonen-Sättigung.

Mit Daten aus Run 2 des LHC maß die ALICE-Kollaboration die „inkohärente photonukleare J/ψ-Produktion“: Schnell bewegte Bleikerne passieren einander, ohne direkt zu kollidieren, und ihre intensiven elektromagnetischen Felder wirken wie Strahlen hochenergetischer Photonen. Trifft eines dieser Photonen auf einen anderen Kern, kann es kurzzeitig ein J/ψ-Teilchen erzeugen, dessen Produktion als empfindliche Sonde für die zugrunde liegende Gluonenstruktur dient.

Durch Variation des Impulsübertrags bildete das Team das Gluonenverhalten bei Auflösungen von 0,6, 0,3 und 0,2 Femtometern ab – die feinste Auflösung entspricht Strukturen von nur etwa einem Viertel der Größe eines Protons. „Unsere Experimente mit inkohärenter Produktion sind, als würde man von einem unscharfen Bild zu einem hochauflösenden Mikroskop wechseln“, sagte Daniel Tapia Takaki, Professor für Physik und Astronomie an der University of Kansas, der die Arbeit gemeinsam mit Forschenden der Tschechischen Technischen Universität Prag leitete.

Bei den kleinsten Skalen war die J/ψ-Produktion mit einer statistischen Signifikanz von etwa drei Standardabweichungen deutlich unterdrückt. Dieses Muster lässt sich nicht vollständig durch die etablierte Idee der „nuklearen Schattierung“ erklären, wonach Gluonen im Kern einander teilweise überlappen und verdecken – ähnlich wie Wolkenschichten das Sonnenlicht blockieren. Vielmehr sind die Beobachtungen konsistent mit der von der Quantenchromodynamik vorhergesagten Gluonen-Sättigung, bei der Gluonen so dicht gepackt sind, dass sie stark miteinander wechselwirken und begrenzen, wie viele von ihnen in einer Region existieren können.

Die in Physical Review Letters veröffentlichten Messungen liefern die erste mehrdimensionale Messung der inkohärenten photonuklearen J/ψ-Produktion über sowohl Wechselwirkungsenergie als auch Impulsübertrag. Physiker betonen, dass das Verständnis des Gluonenverhaltens entscheidend ist, um zu verstehen, wie Materie Masse und Struktur erlangt; die Ergebnisse könnten auch künftige Experimente an geplanten Anlagen wie dem Electron-Ion Collider informieren.