Wie Kollisionen von Sauerstoff und Neon am CERN Materie aus dem frühen Universum sichtbar machten

Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN eröffnet der Kern- und Teilchenphysik einen neuen Blick auf die früheste Materie des Universums. In einem speziellen Lauf vom 29. Juni bis zum 9. Juli 2025 kollidierten erstmals Sauerstoff-16- und Neon-20-Kerne sowie Sauerstoffkerne mit Protonen. Die Sauerstoff-Sauerstoff- und Neon-Neon-Kollisionen liefen bei einer Schwerpunktsenergie von 5,36 TeV pro Nukleonenpaar ab.

Die dabei entstehenden Muster sind mit winzigen, extrem kurzlebigen Tröpfchen eines Quark-Gluon-Plasmas (QGP) vereinbar. In diesem extrem heißen und dichten Materiezustand bewegen sich Quarks und Gluonen weitgehend frei – ähnlich der Materie, die in den ersten Momenten nach dem Urknall existierte, bevor sich Protonen und Neutronen bildeten.

Wichtig ist die Einschränkung: Die Forschenden haben kein makroskopisches Stück Urmaterie erzeugt und kein Plasma direkt fotografiert. Seine Existenz wurde aus mehreren Effekten in den Tausenden Teilchen abgeleitet, die nach jeder Kollision entstehen.

Warum leichte Kerne ein wichtiger Test sind

Bisher untersuchten Physikerinnen und Physiker das Quark-Gluon-Plasma vor allem mit Kollisionen schwerer Kerne wie Blei. Leichte-Ionen-Kollisionen bieten nun einen besonders empfindlichen Test dafür, wann aus einer gewöhnlichen Teilchenkollision ein kollektiv fließendes, stark wechselwirkendes Medium wird.

Der Lauf von 2025 ermöglichte den Vergleich unterschiedlich großer und geformter Systeme: Sauerstoff-Sauerstoff, Neon-Neon und Proton-Sauerstoff. Je kleiner das System, desto schwieriger ist es, kollektives Verhalten eindeutig von anderen Wechselwirkungen zu unterscheiden.

Das zentrale ALICE-Ergebnis war der Nachweis eines von der Kollisionsgeometrie bestimmten anisotropen Flusses in Sauerstoff-Sauerstoff- und Neon-Neon-Kollisionen. Die Teilchen flogen nicht völlig zufällig auseinander. Ihre Impulse enthielten elliptische und dreieckige Komponenten, die als v₂ und v₃ bezeichnet werden. Die Abhängigkeit dieser Größen von der Zentralität der Kollision stimmte mit hydrodynamischen Berechnungen überein. Diese Modelle übersetzen die anfängliche Überlappungsform der Kerne in die Richtungen, in denen sich die entstandene Materie ausdehnt.

Das ist deshalb bedeutsam, weil ein stark wechselwirkendes, rasch expandierendes Medium Informationen über die anfängliche Kollisionszone bewahren kann. Vereinfacht gesagt: Die Form der Überlappung wird in der gemeinsamen Bewegung der später gemessenen Teilchen sichtbar. Damit gibt es Hinweise auf kollektives Verhalten in Systemen, die deutlich kleiner sind als die traditionell untersuchten Blei-Blei-Kollisionen.

Vier Experimente, mehrere übereinstimmende Hinweise

Der Schluss auf QGP-ähnliche Materie beruht nicht allein auf dem Teilchenfluss. ALICE, ATLAS, CMS und LHCb lieferten sich ergänzende Messungen:

• ALICE fand Hinweise auf Energieverlust von Partonen in Sauerstoff-Sauerstoff-Kollisionen. Energiereiche Quarks und Gluonen können beim Durchqueren eines heißen, dichten Mediums Energie verlieren, bevor sie in messbare Teilchen zerfallen.
• ATLAS maß in Sauerstoff-Sauerstoff- und Neon-Neon-Ereignissen ein Ungleichgewicht zwischen den Energien entgegengesetzt gerichteter Jets. Der Effekt war bei zentraleren Kollisionen stärker – also dort, wo die Teilchen eine größere Region heißer Materie durchqueren.
• CMS beobachtete im Vergleich zu Proton-Proton-Referenzen eine unterdrückte Produktion hochenergetischer geladener Teilchen in Sauerstoff-Sauerstoff- und Neon-Neon-Kollisionen. Außerdem gab es Hinweise auf eine stufenweise Unterdrückung unterschiedlich stark gebundener Bottomonium-Zustände.
• LHCb stellte fest, dass Mesonen aus einem Charm- und einem leichten Quark im größeren Neon-System stärker unterdrückt wurden als im Sauerstoff-System. Zudem meldete das Experiment vorläufige Hinweise auf eine Unterdrückung von Bottomonium in Proton-Sauerstoff- und Sauerstoff-Sauerstoff-Daten.

Zusammengenommen ergeben kollektiver Fluss, Energieverlust von Partonen und Jets, die Unterdrückung hochenergetischer Teilchen sowie die Unterdrückung schwerer Quarkonium-Zustände ein sich gegenseitig verstärkendes Bild. Jede einzelne Messung kann jedoch auch von anderen Effekten beeinflusst werden, die modelliert und überprüft werden müssen. Die angemessene Schlussfolgerung lautet daher: Die Daten zeigen konvergierende Hinweise auf QGP-ähnliches Verhalten in leichten Ionen – kein direktes Bild eines Plasma-Tröpfchens.

Die Kollisionsreste verraten die Form der Kerne

Der Vergleich zwischen Sauerstoff und Neon machte den LHC zugleich zu einem indirekten Labor für Kernstruktur. Sauerstoff-16 ist ungefähr kugelförmig. Neon-20 ist dagegen intrinsisch verformt und wird häufig als länglich oder „bowling-pin-förmig“ beschrieben. Je nachdem, wie ein solcher Neon-Kern beim Zusammenstoß ausgerichtet ist, verändert sich die Form der entstehenden Überlappungsregion.

ALICE verglich deshalb die Flussmuster aus Neon-Neon- und Sauerstoff-Sauerstoff-Kollisionen. Verhältnisse zwischen den beiden Systemen verringern den Einfluss gemeinsamer Effekte und machen den Vergleich empfindlicher für Unterschiede in der anfänglichen Kerngeometrie sowie für kleinräumige Fluktuationen. Die gemessenen Flusskoeffizienten und ihre Abhängigkeit von der Kollisionszentralität stimmten mit hydrodynamischen Vorhersagen überein, die realistische Formen von Sauerstoff- und Neon-Kernen berücksichtigten.

So fungierten die Kollisionsreste gewissermaßen als indirektes Bild der Kerne vor dem Zusammenstoß. Ein annähernd kugelförmiger Sauerstoffkern und ein verformter Neonkern hinterlassen unterschiedliche geometrische Fingerabdrücke in der kollektiven Expansion – obwohl die Kerne selbst viel zu klein sind, um direkt abgebildet zu werden.

Eine neue Ergänzung zur Untersuchung von Atomkernen

Traditionell wird die Verformung von Atomkernen bei niedrigeren Energien untersucht – etwa anhand von Rotationsbanden, Schwingungsanregungen und elektromagnetischen Übergängen. Das Programm mit leichten Ionen am LHC ergänzt diese Methoden um einen Hochenergieansatz: Kerne werden nahezu auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, kollidieren, bilden ein stark wechselwirkendes Medium und hinterlassen in dessen Expansion messbare Spuren ihrer Ausgangsgeometrie.

Diese Methode ersetzt die klassische Spektroskopie nicht. Sie untersucht vielmehr, wie die Gesamtform eines Kerns und möglicherweise auch Fluktuationen auf kleineren Längenskalen die Dynamik eines extrem heißen, schnell expandierenden Systems beeinflussen. Zugleich können hydrodynamische Modelle in besonders kleinen Systemen getestet werden, in denen Geometrie und Modellannahmen eine größere Rolle spielen.

Damit verbindet das Ergebnis zwei Forschungsfelder, die häufig getrennt betrachtet werden: die Struktur von Atomkernen und die Eigenschaften jener Materie, die das Universum kurz nach dem Urknall erfüllte.

Könnte Helium-4 die untere Grenze ausloten?

Noch leichtere Projektile wie Helium-4 könnten einen nächsten Test der Systemgröße ermöglichen. Durch den Vergleich mit Sauerstoff und Neon ließe sich untersuchen, wann kollektiver Fluss und Energieverlust-Signale schwächer werden oder verschwinden, wenn Größe, Lebensdauer und Energiedichte des Systems abnehmen.

Solche Messungen könnten helfen, die Mindestbedingungen für QGP-ähnliches Verhalten einzugrenzen. Außerdem würden sie eine weitere bekannte Kerngeometrie liefern, an der sich Modelle zur Kernstruktur und zu stark wechselwirkender Materie prüfen lassen.

Für einen konkreten Helium-4-Lauf, einen Zeitplan oder eine prognostizierte Messgenauigkeit liefern die verfügbaren Quellen allerdings keine bestätigten Angaben. Helium-4 ist daher als mögliche zukünftige Forschungsrichtung zu verstehen – nicht als bereits angekündigtes Ergebnis.