Der Large Hadron Collider (LHC) ist wie eine ungeheuer leistungsfähige Küche, in der einige der seltensten und heißesten Rezepte des Universums zubereitet werden, wie das Quark-Gluon-Plasma (QGP), ein Materiezustand, von dem bekannt ist, dass er kurz nach dem Urknall existierte. Während der LHC hauptsächlich Protonen kollidieren lässt, werden einmal im Jahr auch schwere Ionen – wie z. B. Bleikerne – kollidiert – eine wichtige Zutat für die Zubereitung dieser Ursuppe. Im Quark-Gluon-Plasma sind die fundamentalen Bestandteile von Protonen und Neutronen – Quarks (Materieteilchen) und Gluonen (Träger der starken Kraft) – nicht in Teilchen gebunden, sondern existieren in einem "freien" Zustand der Materie, der eine nahezu perfekte, dichte Flüssigkeit bildet. Forschende gehen davon aus, dass das Quark-Gluon-Plasma das Universum kurz nach dem Urknall erfüllte, und seine Untersuchung bietet einen Einblick in die Bedingungen dieser frühen Phase der Geschichte unseres Universums.
Die extrem kurze Lebensdauer des Quark-Gluon-Plasmas, das bei Schwerionenkollisionen entsteht – etwa 10 hoch -23 Sekunden – bedeutet jedoch, dass es nicht direkt beobachtet werden kann. Stattdessen untersuchen Physikerinnen und Physiker Teilchen, die in Schwerionenkollisionen entstehen, das QGP durchqueren und deswegen wichtige Einblicke in die Eigenschaften des QGP geben. Das Top-Quark spielt dabei eine ganz besondere Rolle: "Das Top-Quark zerfällt schneller in ein W-Boson und ein Bottom-Quark als die Zeitdauer, die zur Bildung des Quark-Gluon-Plasmas benötigt wird. Die Zerfallsprodukte des W-Bosons beginnen jedoch erst später mit dem Plasma zu wechselwirken", erklärt Matthias Schott, "Dadurch können wir das Top-Quark als eine Art Zeitmarker verwenden, was uns die einzigartige Möglichkeit gibt, die zeitliche Entwicklung des Quark-Gluon-Plasmas zu untersuchen".
Für ihr neues Ergebnis untersuchten die ATLAS Forscherinnen und Forscher Kollisionen von Blei-Ionen, die bei einer Kollisionsenergie von 5,02 Teraelektronenvolt (TeV) pro Nukleonenpaar während des zweiten Laufs des LHC von 2015 bis 2018 stattfanden. Sie beobachteten die Top-Quark-Produktion im "Dilepton-Kanal", bei dem die Top-Quarks in ein Bottom-Quark und ein W-Boson zerfallen, das anschließend entweder in ein Elektron oder ein Myon und das zugehörige Neutrino zerfällt. Das Ergebnis hat eine statistische Signifikanz von 5,0 Standardabweichungen und ist damit der erste Nachweis von Top-Quark-Paaren in Kern-Kern-Kollisionen.
Mehr dazu: https://www.pi.uni-bonn.de/de/nachrichten/first-observation-of-top-quarks-in-heavy-ion-collisions