Ein direkter Blick in das Herzstück des ALICE-Detektors während einer Umbaupause

Bild: CERN

Fundamentalen Effekts der Teilchenphysik CERN: Ersten Nachweis des „Dead-Cone“-Effekts

15.06.2022

Nach 30 Jahren haben Physiker erstmals den „Dead-Cone“-Effekt direkt beobachten und somit nachweisen können. Die Beobachtung ermöglicht einen direkten experimentellen Zugang zur Masse eines Elementarteilchens, des so genannten Charm-Quarks.

Die ALICE-Kollaboration am Large Hadron Collider (LHC) hat die erste direkte Beobachtung des Dead-Cone-Effekts gemacht – ein grundlegendes Merkmal der Theorie der starken Kraft, die Quarks und Gluonen zu Protonen, Neutronen und schließlich zu allen Atomkernen zusammenbindet. Die Beobachtung bestätigt nicht nur diesen Effekt, sondern ermöglicht auch einen direkten experimentellen Zugang zur Masse eines einzelnen Charm-Quarks, bevor es in Hadronen eingeschlossen wird.

„Es war eine große Herausforderung, den toten Kegel direkt zu beobachten“, sagt ALICE-Sprecher Luciano Musa. „Aber durch die Verwendung von Daten aus drei Jahren Proton-Proton-Kollisionen am LHC und ausgefeilten Datenanalysetechniken konnten wir ihn schließlich aufdecken.“

Theorie der starken Kraft

Quarks und Gluonen, die zusammen als Partonen bezeichnet werden, entstehen in Teilchenkollisionen, wie sie am LHC stattfinden. Nach ihrer Entstehung durchlaufen die Partonen eine Kaskade von Ereignissen, die als Partonenschauer bezeichnet werden, bei denen sie Energie verlieren, indem sie Strahlung in Form von Gluonen aussenden, die wiederum Gluonen aussenden. Das Strahlungsmuster dieses Schauer hängt von der Masse des Gluonen emittierenden Partons ab und zeigt einen Bereich um die Flugrichtung des Partons, in dem die Gluonenemission unterdrückt wird – den Totkegel.

Der tote Kegel wurde vor dreißig Jahren auf der Grundlage der ersten Prinzipien der Theorie der starken Kraft vorhergesagt und ist indirekt an Teilchenbeschleunigern beobachtet worden. Es ist jedoch nach wie vor schwierig, ihn direkt anhand des Strahlungsmusters der Partonenschauer zu beobachten. Die Hauptgründe dafür sind, dass der tote Kegel mit den Teilchen gefüllt werden kann, in die sich das emittierende Parton umwandelt, und dass es schwierig ist, die Richtungsänderung des Partons während des Schauerprozesses zu bestimmen.

Der Lösung auf die Schliche gekommen

Die ALICE-Kollaboration hat diese Herausforderungen überwunden, indem sie modernste Analysetechniken auf eine große Stichprobe von Proton-Proton-Kollisionen am LHC angewendet hat. Mit diesen Techniken kann der Partonenschauer anhand seiner Endprodukte – den Signalen, die ein als Jet bezeichneter Teilchenstrahl im ALICE-Detektor hinterlässt – in der Zeit zurückverfolgt werden.

Durch die Suche nach Jets, die ein Teilchen mit einem Charm-Quark enthalten, konnten die Forscher einen Jet identifizieren, der von dieser Art von Quark erzeugt wurde, und die gesamte Geschichte der Gluonenemissionen des Quarks zurückverfolgen. Ein Vergleich des Gluonenemissionsmusters des Charm-Quarks mit dem von Gluonen und praktisch masselosen Quarks zeigte dann einen toten Kegel im Muster des Charm-Quarks.

Das Ergebnis gibt auch direkt Aufschluss über die Masse des Charm-Quarks, denn die Theorie sagt voraus, dass masselose Teilchen keine entsprechenden toten Kegel haben.

„Quarkmassen sind fundamentale Größen in der Teilchenphysik, aber sie können in Experimenten nicht direkt gemessen werden, da Quarks - mit Ausnahme des Top-Quarks – in zusammengesetzten Teilchen eingeschlossen sind“, erklärt Andrea Dainese, Physikkoordinator bei ALICE. „Unsere erfolgreiche Technik zur direkten Beobachtung des toten Kegels eines Partonenschauers könnte einen Weg zur Messung von Quarkmassen bieten.“

Bildergalerie

  • Ein Charm-Quark (c) in einem Partonenschauer verliert Energie, indem es Strahlung in Form von Gluonen (g) aussendet. Der Schauer zeigt einen toten Kegel aus unterdrückter Strahlung um das Quark herum für Winkel, die kleiner sind als das Verhältnis von Masse (m) und Energie (E) des Quarks. Die Energie nimmt in jeder Phase des Schauerprozesses ab.

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  • Wenn der Partonenschauer fortschreitet, werden Gluonen in kleineren Winkeln emittiert und die Energie des Quarks nimmt ab, was zu größeren toten Kegeln mit unterdrückter Gluonenemission führt.

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  • Je höher die Anzahl der Protonenkollisionen (blaue Linien), desto mehr dieser so genannten seltsamen Hadronen sind zu sehen (rote Quadrate im Diagramm).

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  • Mitglieder des Teams für den mechanischen Zusammenbau setzen die letzten Kristalle in das erste Modul des Photonenspektrometers von ALICE ein. Diese Kristalle bestehen aus Bleiwolframat, einem Kristall, der so klar wie Glas ist, aber fast die vierfache Dichte aufweist.

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  • Das ALICE-Experiment untersucht die Kollisionen von Strahlen aus Bleikernen, um einen neuen Materiezustand zu erzeugen, der als "Quark-Gluon-Plasma" bekannt ist.

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