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Pionen als Katalysator: Mikroskopische Studie zur Deuteron-Produktion in Blei-Kollisionen

Foto: CERN

ALICE-Detektor

 

04.06.2019

Es ist ein spannendes Forschungsfeld für die Physik: das Quark-Gluon-Plasma, also der Materiezustand, der im Universum bis Sekundenbruchteile nach dem Urknall existierte und der durch Kollisionen von schweren Ionen aus Blei erzeugt und untersucht werden kann. Experimentelle Beobachtungen zeigen, dass bei diesen Kollisionen leichte Kerne wie Deuteronen, Tritonen und Helium entstehen. Doch sind sich die Forschenden nicht einig über die theoretische Erklärung für deren Produktion. Eine Physikergruppe mit Professorin Hannah Elfner vom GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung und ihrem ehemaligen Doktoranden Dr. Dmytro Oliinychenko vom Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien sowie weiteren Partnern hat nun in der Fachzeitschrift „Physical Review C“ neue Ergebnisse zum mikroskopischen Verständnis der Deuteron-Produktion veröffentlicht.  

Als Deuteron wird der Atomkern des Deuteriums („Schwerer Wasserstoff“) bezeichnet. Deuteronen spielen eine Rolle bei Kernfusionsreaktionen in Sternen. „Wie Schneebälle in der Hölle“, so umschreiben manchen Forscher die Tatsache, dass die leichten Kerne wie Deuteronen im Quark-Gluon-Plasma überhaupt erkennbar sind. Denn eigentlich sollten die hohen Temperaturen der aus den Kollisionen hervorgehenden Feuerbälle die Kerne in ihre subatomaren Bestandteile zerschmelzen, doch genau das scheinen sie nicht zu tun. Nun schlagen Elfner, Oliinychenko und Kollegen einen mikroskopischen Mechanismus vor, der erklären könnte, warum die Kerne bestehen bleiben.

Sie gehen dabei von einer bereits existierenden qualitativen Erklärung für die Beobachtung dieser Kerne aus. Dieser Vorschlag postuliert, dass die im Feuerball entstehenden leichten Kerne durch die hohen Temperaturen zerstört und beim Abkühlen des Feuerballs immer wieder durch fliegende Protonen und Neutronen neu geschaffen werden. Die mikroskopischen Mechanismen hinter diesem Szenario aber waren bisher unklar. Hier setzten nun Elfner, Oliinychenko und Kollegen an und machten sich daran, diesen Mechanismus zu finden, indem sie eine Reihe von Reaktionen analysierten, die Deuteronen bilden könnten. Sie identifizierten eine mögliche Reaktion, bei der Protonen und Neutronen beim Vorhandensein von Pionen, also von Quark-Antiquark-Paaren, Deuteronen bilden. Die Pionen könnten dabei als eine Art Katalysator für die Reaktionen zwischen Protonen und Neutronen dienen und so die stabile Produktion von Deuteronen bei hochenergetischen Kernkollisionen ermöglichen.

Das Team simulierte ähnliche Bedingungen wie bei einem kürzlich von der ALICE-Kollaboration durchgeführten CERN-Experiment, das die durch Kollisionen erzeugten leichten Kerne präzise charakterisierte. Dann folgte der Vergleich: Die kalkulierten Ertrags- und Energiespektren der Deuteronen stimmten mit den Beobachtungen von ALICE überein. Die Schlussfolgerung: Wenn die Idee von Elfner, Oliinychenko und dem Team richtig ist, sollte sie auch die Bildung anderer beobachteter Kerne, beispielsweise Tritonen, erklären könne.

Die Autoren planen nun, diese Möglichkeit in kommenden Berechnungen zu überprüfen und ihre Ergebnisse weiter zu untermauern. Außerdem überlegen sie, wie weitere Studien bei niedrigeren Strahlenenergien durchzuführen sind. Solche Überlegungen sind auch für das HADES-Experiment bei GSI sowie für das CBM-Experiment am künftigen, derzeit bei GSI entstehenden Beschleunigerzentrum FAIR relevant. Das Thema von Elfner, Oliinychenko und der Gruppe wird auch bei der diesjährigen „Strangeness in Quark Matter“-Konferenz, eine der größten Konferenzen in diesem Forschungsbereich, im italienischen Bari vorgestellt. (BP)

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Artikel in Physical Review C (auf Englisch)


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ALICE-Detektor
Wichtige Vergleichsdaten: Das Forscherteam um Professorin Hannah Elfner und ihrem ehemaligen Doktoranden Dr. Dmytro Oliinychenko simulierte ähnliche Bedingungen wie bei einem kürzlich von der ALICE-Kollaboration durchgeführten CERN-Experiment, das die durch Kollisionen erzeugten leichten Kerne präzise charakterisierte.
Foto: CERN