Sauerstoff und Neon enthüllen ein kosmisches Plasma – und die Form von Atomkernen

Am CERN ist die Suche nach Quark-Gluon-Plasma in eine bislang besonders kleine Kollisionswelt vorgedrungen. Die ALICE-Kollaboration beobachtete bei Zusammenstößen von Sauerstoffkernen, dass hochenergetische Partonen in dem dabei entstehenden Medium Energie verlieren. Dieses Phänomen gilt als eine der deutlichsten Signaturen für die Bildung eines Quark-Gluon-Plasmas (QGP). Die Messung weicht mit 4,9 Standardabweichungen von der Hypothese ab, dass kein Energieverlust stattfindet.

Das Programm mit leichten Ionen lieferte zugleich Hinweise darauf, dass auch die Form eines Atomkerns im Kollisionsnachhall sichtbar werden kann. Der Vergleich von Sauerstoff-16 und Neon-20 half den Forschenden, den Einfluss der tatsächlichen Kerngeometrie von zufälligen Schwankungen einzelner Ereignisse zu trennen.

Wann und wo die Kollisionen stattfanden

Die ersten Sauerstoff-Sauerstoff- und Neon-Neon-Kollisionen wurden im Sommer 2025 im Large Hadron Collider (LHC) des CERN durchgeführt. Der 27 Kilometer lange Ring, der normalerweise Protonen beschleunigt, wurde dafür auf leichte Ionen umgestellt. Die Daten der speziellen Kampagne wurden über sechs Tage von den Experimenten ALICE, ATLAS, CMS und LHCb aufgezeichnet.

Erste Ergebnisse wurden auf der Konferenz „Initial Stages“ vorgestellt, die vom 7. bis 12. September 2025 in Taipeh, Taiwan, stattfand.

Die Kollisionen erfolgten bei einer Schwerpunktsenergie von 5,36 TeV pro Nukleonenpaar. Damit konnte ALICE kollektive Effekte in einem System untersuchen, das deutlich kleiner ist als die Blei-Blei-Kollisionen, die traditionell mit QGP-Experimenten verbunden werden.

Was ALICE in den Sauerstoffkollisionen beobachtete

Ein Quark-Gluon-Plasma ist ein extrem heißer und dichter Materiezustand, in dem Quarks und Gluonen nicht mehr dauerhaft in einzelnen Hadronen eingeschlossen sind. Zu seinen Nachweisen gehört die Untersuchung, wie sich energiereiche Partonen – Bestandteile, aus denen später etwa Pionen entstehen – beim Durchqueren des Mediums verändern.

ALICE registrierte in Sauerstoff-Sauerstoff-Kollisionen eine Unterdrückung hochenergetischer Pionen. Das Ergebnis passt dazu, dass die zugrunde liegenden Partonen beim Durchlaufen des erzeugten Mediums Energie verlieren. Nach Angaben der Kollaboration erweitert dieser Befund die charakteristische QGP-Signatur auf das bislang kleinste untersuchte Kern-Kollisionssystem.

Zusätzlich maß ALICE einen anisotropen kollektiven Teilchenfluss. Dazu gehören der elliptische Fluss (v₂) und der dreieckige Fluss (v₃), die bevorzugte Richtungen in der Verteilung der Teilchen beschreiben, die aus der Kollision hervorgehen. Beide Koeffizienten waren sowohl bei Sauerstoff-Sauerstoff- als auch bei Neon-Neon-Kollisionen deutlich ausgeprägt und hingen von der Zentralität der Kollision ab. Das ist mit einem hydrodynamischen, also flüssigkeitsähnlichen Verhalten des entstandenen Systems vereinbar.

Wie das Teilchenmuster die Kernform verrät

Der Vergleich ist besonders aussagekräftig, weil Sauerstoff-16 und Neon-20 unterschiedliche Formen besitzen. Sauerstoff-16 gilt als relativ rund. Neon-20 wird dagegen als länglich und prolat beschrieben – seine Form erinnert an eine Bowlingkegel- oder Bowlingpin-Figur. Die Kollisionsdaten stützen diese Vorstellung.

Wenn zwei Atomkerne aufeinandertreffen, ist die anfängliche Überlappungszone nicht zwangsläufig kreisförmig. Ihre Geometrie beeinflusst, wie sich die heiße Materie ausdehnt. Diese Ausdehnung bleibt in der Winkelverteilung der anschließend entstehenden Teilchen erhalten.

Bei zentralen Neon-Neon-Kollisionen fand ALICE einen größeren elliptischen Flusskoeffizienten v₂ als bei Sauerstoff-Sauerstoff-Kollisionen. Genau das wäre zu erwarten, wenn die längliche Form des Neon-20 einen stärkeren elliptischen Abdruck hinterlässt als die eher kugelförmige Geometrie des Sauerstoffkerns.

Berechnungen zur Kernstruktur und hydrodynamische Simulationen reproduzierten die beobachteten Unterschiede zwischen beiden Kollisionssystemen. Diese Übereinstimmung spricht dafür, dass die Muster wesentlich durch die Kerngeometrie verursacht werden – und nicht lediglich durch zufällige Schwankungen.

Die Forschenden können die Form des Kerns also indirekt aus dem Teilchenfluss nach der Kollision ableiten. Der eigentliche Zusammenstoß ist zu kurz, um ihn direkt abzubilden. Sein Teilchen-„Fingerabdruck“ bewahrt jedoch Informationen über die Ausgangsanordnung.

Warum das Ergebnis wichtig ist

Auch kleine Systeme können sich wie ein Plasma verhalten

Blei-Blei-Kollisionen erzeugen größere und länger lebende Feuerbälle, in denen kollektive Effekte leichter zu erkennen sind. Sauerstoff und Neon liegen dagegen in einem Zwischenbereich zwischen Proton-Proton- und Schwerionenkollisionen. Sie ermöglichen es, Größe und Dichte des Kollisionssystems gezielter zu variieren und zu untersuchen, wann kollektives Verhalten entsteht.

Damit lässt sich die Frage testen, wie klein ein System werden kann, ohne die hydrodynamischen Eigenschaften zu verlieren, die mit einem Quark-Gluon-Plasma verbunden sind. Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass Sauerstoffkollisionen sowohl Energieverlust von Partonen als auch kollektiven Fluss aufweisen können. Wie genau diese Signaturen mit den Eigenschaften des Mediums zusammenhängen, bleibt jedoch Gegenstand weiterer Untersuchungen.

Kernkollisionen werden zum Werkzeug der Strukturphysik

Das Experiment eröffnet außerdem eine ergänzende Methode zur Untersuchung der Kernstruktur. Statt einen ruhenden Kern mit einem herkömmlichen Streuexperiment zu untersuchen, vergleichen die Forschenden den kollektiven Fluss, der entsteht, wenn Kerne mit unterschiedlichen inneren Formen kollidieren. Der Kontrast zwischen Sauerstoff und Neon hilft dabei, die Anfangsbedingungen in Modellen von Schwerionenkollisionen besser einzugrenzen.

Ein Laborfenster auf das frühe Universum

Das Quark-Gluon-Plasma ähnelt einem extremen Materiezustand, der vermutlich in den ersten Mikrosekunden des Universums existierte. Damals waren Quarks und Gluonen noch nicht dauerhaft in Protonen, Neutronen und andere Hadronen eingeschlossen. Kollisionen leichter Ionen erlauben es, diese ursprüngliche Materie in einem kleineren und besser steuerbaren System zu untersuchen – und zugleich die Grenze zwischen flüssigkeitsähnlichen Kernkollisionen und kleineren Systemen ohne solche Eigenschaften auszuloten.

Was kommt als Nächstes?

Die vorliegenden Quellen nennen weder einen bestätigten Zeitplan noch eine konkrete Liste von Kernen, die leichter als Sauerstoff sind und als Nächstes untersucht werden sollen. Sie sprechen jedoch für weitere Vergleiche zwischen leichten Ionensystemen. Damit wollen die Forschenden die Mindestgröße und -dichte für QGP-ähnliches Verhalten bestimmen und Kerne mit klar definierter Form nutzen, um die Modelle der anfänglichen Kollisionsgeometrie zu verbessern.

Gerade diese offene Frage macht Sauerstoff und Neon wissenschaftlich interessant: Sie liegen nahe an der Grenze, an der die Größenordnungen des Systems und seiner mikroskopischen Bestandteile miteinander konkurrieren. Künftige Messungen müssen deshalb den Einfluss der Kernform, zufällige Anfangsschwankungen und echten, durch das Medium verursachten Energieverlust immer genauer auseinanderhalten.

Für den Moment zeichnen sich zwei miteinander verbundene Ergebnisse ab: Sauerstoffkollisionen zeigen ein zentrales Merkmal der QGP-Bildung, und der Vergleich von Sauerstoff und Neon macht den Teilchennachhall einer Kollision zu einer Sonde für die Form von Atomkernen.