Production of light nuclei and antinuclei in Pb-Pb collisions at the LHC
Authors:   , Bartsch Esther 
Published: May 2022

Das Feld der Hochenergie-Schwerionenforschung hat sich der Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas (QGP) gewidmet. Ein QGP ist ein sehr heißer und dichter Materiezustand, der kurz nach dem Urknall für einige Mikrosekunden das Universum füllte. Unter diesen extremen Bedingungen sind die fundamentalen Bausteine der Materie, die Quarks und Gluonen, quasi frei, also nicht in Hadronen eingeschlossen, wie es unter normalen Bedingungen der Fall ist. Hadronen sind Teilchen, die aus Quarks und Gluonen bestehen. Die bekanntesten Hadronen sind Protonen und Neutronen, die Bestandteile von Atomkernen, aus denen, zusammen mit Elektronen, die gesamte bekannte Materie aufgebaut ist. Die einzige bekannte Möglichkeit, ein QGP im Labor zu erzeugen, um es zu untersuchen, sind ultrarelativistische Schwerionenkollisionen. Ein QGP existiert nur sehr kurz, da es aufgrund von hohen inneren Druckgradienten schnell expandiert und abkühlt. Es kann deshalb nicht direkt beobachtet werden. Es können jedoch zahlreiche Observablen im Endzustand der Kollision, wie die nach der Kollision in den Detektoren registrierten Teilchen und deren Eigenschaften, gemessen werden. Indem man die Daten mit theoretischen Modellen vergleicht, können dann Rückschlüsse auf die Eigenschaften des QGP gezogen werden. Ein QGP entsteht, wenn man hochenergetische, genauer gesagt ultrarelativistische, schwere Ionen, wie zum Beispiel 208Pb-Kerne, aufeinander prallen lässt. Dies geschieht am CERN, dem größten Kernforschungszentrum der Welt. Der Teilchenbeschleuniger, welcher Protonen und Pb-Kerne beschleunigt und zur Kollision bringt, heißt Large Hadron Collider (LHC). Er ist mit einem Umfang von 27 km der größte der Welt und erreichte die bis heute höchstmöglichen Schwerpunktsenergien von 5,02 TeV pro Nukleonpaar in Pb-Pb Kollisionen und 13 TeV in Proton-Proton (pp) Kollisionen. Bei einer einzigen Pb-Pb Kollision am LHC werden mehrere Tausend Teilchen und Antiteilchen erzeugt. Das dedizierte Experiment zur Untersuchung von Schwerionenkollisionen am LHC ist ALICE. ALICE ist mit mehreren Teilchendetektoren ausgerüstet, die innerhalb eines großen Magneten konzentrisch um den Kollisionspunkt herum angeordnet sind und verschiedene Techniken verwenden, um möglichst effizient über einen breiten Impulsbereich tausende Teilchenspuren gleichzeitig zu messen und dabei die Teilchen zu identifizieren. Unter den produzierten Teilchen befinden sich auch leichte Atomkerne, wenngleich diese nur sehr selten erzeugt werden. Die Anzahl der produzierten Teilchen pro Teilchensorte hängt nämlich von deren Masse ab. In Pb-Pb Kollisionen am LHC sinkt die Anzahl der produzierten (Anti)kerne exponentiell um einen Faktor 1/330 bei Hinzufügen jedes weiteren Protons oder Neutrons. In pp Kollisionen beträgt dieser Faktor sogar 1/1000. Die Menge an produzierten Teilchen pro Spezies stellt Informationen über den Produktionsmechanismus beim Übergang vom QGP zum Hadrongas zur Verfügung. Hierbei sind leichte (Anti)kerne von besonderem Interesse, da ihre Größe einen signifikanten Anteil der Größe des erzeugten QGP darstellt und zugleich ihre Bindungsenergie bis zu zwei Größenordnungen kleiner ist als die Temperaturen, die bei der Erzeugung der Hadronen vorherrschen. Es ist bis heute noch nicht verstanden, wie leichte (Anti)kerne bei diesen Bedingungen erzeugt werden und überleben können. Für diese Arbeit wurden ungefähr 270 Millionen Pb-Pb Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 5,02 TeV, die von der ALICE Kollaboration im November 2018 aufgezeichnet wurden, analysiert. Es wurde die Produktion von (Anti)triton und (Anti)4He-Kernen untersucht. Wegen ihrer großen Masse werden beide Kerne, jedoch besonders (Anti)4He, sehr selten produziert, bei weitem nicht bei jeder Kollision. Anti4He ist der schwerste Antikern, der jemals gemessen wurde. Aufgrund dieser Seltenheit ist die Größe des zur Verfügung stehenden Datensatzes entscheidend. Es war möglich, das erste jemals gemessene Anti4He-Transversalimpulsspektrum zu extrahieren. Auch für (Anti)triton und 4He wurden Transversalimpulsspektren bestimmt. Die Ergebnisse wurden mit theoretischen Modellen und anderen ALICE Messungen verglichen. Am Ende wird in einem Ausblick auf das kürzlich durchgeführte Upgrade der ALICE Spurendriftkammer (TPC) eingegangen. In der nächsten, bald startenden Datennahmeperiode wird der LHC seine Kollisionsrate erheblich erhöhen, was es ermöglichen wird, mehr als 100 mal so viele Daten wie bisher aufzuzeichnen. Hiervon werden die in dieser Arbeit beschriebenen (Anti)triton- und (Anti)4He-Analysen beachtlich profitieren. Um mit den erheblich höheren Kollisionsraten zurecht zu kommen, mussten einige Detektoren, unter anderem die TPC, maßgeblich erneuert werden. In den ersten beiden Datennahmeperioden wurde die TPC mit Vieldrahtproportionalkammern betrieben. Diese sind allerdings viel zu langsam für die geplanten Kollisionsraten. Deshalb wurden sie im Jahr 2019, während einer langen Betriebspause des LHC, durch Quadrupel-GEM (Gas Electron Multiplier) Folien basierte Auslesekammern ersetzt, welche eine kontinuierliche Auslese der TPC ermöglichen, was mit den Vieldrahtproportionalkammern nicht der Fall war. ...