Anfang des Monats trafen sich fast 700 Physiker aus aller Welt in Houston (Texas), um an der 30. Quark Matter Conference teilzunehmen, der größten Konferenz auf dem Gebiet der Schwerionenphysik. Auf diesem Treffen präsentierte die ALICE Collaboration ihre ersten Ergebnisse basierend auf Daten aus dem Jahr 2022, die im Rahmen des ersten Jahres des LHC-Run 3 mit dem verbesserten Detektor gesammelt wurden. Vor Beginn des Run 3 wurde ein großes Upgrade am ALICE-Experiment durchgeführt, um die Aufzeichnung von 50-100 Mal mehr Blei-Blei-Kollisionen und bis zu 500 Mal mehr Proton-Proton-Kollisionen als in früheren Betriebsläufen zu ermöglichen. Verbesserungen an den Verfolgungsdetektoren erhöhten außerdem die Auflösung um einen Faktor zwischen Drei und Sechs. Insgesamt werden dadurch in den kommenden Jahren viele neue hochpräzise Ergebnisse verfügbar.
Eines der neuen auf der Quark Matter Conference präsentierten Ergebnisse war die Messung der Produktion zweier verschiedener Charmonium-Zustände in Proton-Proton-Kollisionen. Charmonia sind gebundene Systeme, die aus einem Charm- und einem Anticharm-Quark bestehen und eine Gesamtmasse von etwa drei Gigaelektronenvolt besitzen – mehr als das Dreifache des Protons. Charmonia zeigen eine charakteristische Zerfallssignatur und produzieren ein Elektron-Positron-Paar oder ein positives und ein negatives Myon.
Es gibt eine Vielzahl an Charmonium-Zuständen mit unterschiedlichen Bindungsenergien – von dem eng gebundenen J/ψ mit einer Bindungsenergie von rund 650 MeV bis zum schwach gebundenen und doppelt so großen ψ(2S) mit einer Bindungsenergie von 50 MeV. In Schwerionenkollisionen schmelzen diese Zustände in dem Quark-Gluonen-Plasma und eine reduzierte Anzahl von ihnen wird im Endstadium beobachtet. Dieses Phänomen wird als Charm-Unterdrückung bezeichnet. Physiker können die Temperatur des Plasmas feststellen, indem sie messen, wie die verschiedenen Zustände unterdrückt werden. Solche Messungen haben im Laufe der Jahre eine wichtige Rolle in dem Gebiet gespielt, angefangen mit frühen Messungen am Super Proton Synchrotron in den 1990er Jahren.
Der Schlüssel zur Messung der Charmonium-Unterdrückung ist die Kenntnis der Produktionsraten. Diese Raten können durch die Messung der Produktion von Quarkonium in Proton-Proton-Kollisionen bestimmt werden, wo es keine Unterdrückung gibt. Das liefert die Referenz für die Messungen der Blei-Blei-Kollisionen.
Der verbesserte ALICE-Detektor besitzt eine breite kinematische Abdeckung, die es ihm erlaubt, J/ψ und ψ(2S) in zwei verschiedenen und einander ergänzenden Regionen zu registrieren. In der Zentralregion wird das Charmonium aus seinem Zerfall in ein Elektron-Positron-Paar in den zentralen Detektoren rekonstruiert. In der Forward-Region wird es im Myonspektrometer anhand seines Zerfalls in ein positives und ein negatives Myon nachgewiesen.
Die von den LHC-Läufen 1 und 2 gesammelten Proton-Proton-Statistiken erlaubten ALICE die Untersuchung des ψ(2S) in der Forward-Region, aber nicht in der Zentralregion. Die Daten von 2022 repräsentieren einen Anstieg der Gesamtzahl der Kollisionen um den Faktor 300, wodurch es erstmals möglich wird, die Produktionsrate des ψ(2S) in der Zentralregion zu messen. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl die angeregten Zustände als auch die Grundzustände des Charmonium mit der gesamten kinematischen ALICE-Region zugänglich sind. Das wird die Modelle der Quarkonium-Produktion begrenzen und den Weg für detailliertere Messungen im kommenden Schwerionenlauf ebnen.
(THK)
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