Kleine oerknallen bij CERN onthullen zowel vroeg heelal als de vorm van atoomkernen

De Large Hadron Collider (LHC) van CERN biedt natuurkundigen een nieuwe manier om de vroegste materie in het heelal te bestuderen. Tijdens een speciale run in juni en juli 2025 lieten onderzoekers zuurstof-16- en neon-20-kernen met elkaar botsen bij een botsingsenergie van 5,36 TeV per nucleonenpaar. De patronen in de duizenden deeltjes die daarna ontstonden, passen bij de vorming van uiterst kleine en kortlevende druppeltjes quark-gluonplasma (QGP). Dat is de extreem hete en dichte toestand waarin quarks en gluonen zich vrij konden bewegen, voordat ze werden opgesloten in protonen en neutronen.

Daarbij hoort wel een belangrijke nuance. CERN heeft geen zichtbaar stuk oer-materie gemaakt en de onderzoekers hebben geen plasmadruppel rechtstreeks gefotografeerd. De aanwezigheid ervan wordt afgeleid uit verschillende effecten in de deeltjes die na elke botsing worden geproduceerd.

Waarom botsingen met lichte ionen belangrijk zijn

Natuurkundigen bestuderen quark-gluonplasma al decennialang vooral met botsingen tussen zware atoomkernen, zoals lood. Botsingen met veel lichtere kernen vormen een scherpere test: wanneer houdt een gewone deeltjesinteractie op en ontstaat er collectief gedrag dat lijkt op een snel uitdijende vloeistof?

De run van 2025 omvatte botsingen tussen zuurstof en zuurstof, neon en neon, en protonen en zuurstof. Daardoor konden de experimenten systemen met verschillende afmetingen en geometrieën rechtstreeks vergelijken.

Het centrale resultaat van ALICE was de waarneming van geometriegestuurde anisotrope stroming in zuurstof-zuurstof- en neon-neonbotsingen. De uitgestoten deeltjes werden niet willekeurig verdeeld: hun bewegingspatronen vertoonden elliptische en driehoekige componenten, aangeduid als respectievelijk (v_2) en (v_3). De manier waarop deze patronen veranderden met de centraliteit van de botsing kwam overeen met hydrodynamische berekeningen. Die modellen vertalen de aanvankelijke overlap van de twee kernen naar de richtingen waarin de materie vervolgens uitstroomt.

Dat is relevant omdat een sterk op elkaar inwerkend, snel uitdijend medium informatie over de oorspronkelijke botsingszone kan bewaren. De vorm van het overlapgebied wordt als het ware vastgelegd in de collectieve beweging van de uiteindelijke deeltjes. De metingen geven daarom aan dat collectief gedrag ook kan ontstaan in systemen die aanzienlijk kleiner zijn dan de lood-loodbotsingen waarmee QGP-onderzoek traditioneel wordt geassocieerd.

Vier experimenten, meerdere aanwijzingen

De aanwijzingen komen niet alleen van de deeltjesstroming. De vier grote LHC-experimenten vonden aanvullende signalen:

• ALICE zag aanwijzingen voor energieverlies van partonen in zuurstof-zuurstofbotsingen. Energetische quarks en gluonen kunnen energie verliezen wanneer ze door een hete, dichte omgeving bewegen, voordat ze uiteenvallen in meetbare deeltjes.
• ATLAS mat een energieverschil tussen tegengestelde jets in zuurstof-zuurstof- en neon-neongebeurtenissen. Het effect was groter bij centralere botsingen, waarbij de deeltjes door een groter gebied van hete materie bewegen.
• CMS rapporteerde een onderdrukte productie van geladen deeltjes met hoge impuls in zuurstof-zuurstof- en neon-neonbotsingen ten opzichte van proton-protonreferenties. Ook waren er aanwijzingen voor de opeenvolgende onderdrukking van verschillende, niet even sterk gebonden bottomoniumtoestanden.
• LHCb stelde vast dat mesonen van een charm-quark en een licht quark sterker werden onderdrukt in het grotere neonsysteem dan in het zuurstofsysteem. Ook rapporteerde het experiment voorlopige aanwijzingen voor bottomoniumonderdrukking in proton-zuurstof- en zuurstof-zuurstofdata.

Samen vormen collectieve stroming, energieverlies van partonen en jets, onderdrukking van hoogenergetische deeltjes en onderdrukking van zware quarkoniumtoestanden een elkaar versterkend geheel van aanwijzingen voor QGP-achtig gedrag. Elke afzonderlijke meting kan ook door andere effecten worden beïnvloed en moet daarom met modellen worden getoetst. De juiste conclusie is dus convergerend bewijs voor quark-gluonplasma-achtig gedrag in lichte-ionensystemen, niet een directe afbeelding van een plasmadruppel.

De deeltjesstroom verraadt de vorm van zuurstof en neon

De vergelijking tussen zuurstof en neon maakte van de LHC bovendien een indirect experiment in de kernfysica. Een zuurstof-16-kern is ongeveer bolvormig. Neon-20 is daarentegen intrinsiek vervormd en wordt vaak omschreven als langgerekt of ‘bowling-pinachtig’. De oriëntatie van zo’n vervormde neon-kern beïnvloedt de vorm van het gebied dat bij een botsing ontstaat.

ALICE vergeleek de stromingspatronen van neon-neon- en zuurstof-zuurstofbotsingen. Door verhoudingen tussen beide systemen te gebruiken, konden effecten die ze gemeen hebben grotendeels worden weggefilterd. Daardoor werd de analyse gevoeliger voor verschillen in de oorspronkelijke kerngeometrie en voor kleinere fluctuaties. De gemeten stromingscoëfficiënten en hun afhankelijkheid van de centraliteit kwamen overeen met hydrodynamische voorspellingen waarin realistische vormen voor zuurstof en neon waren opgenomen.

Het botsingspuin werkte zo als een indirecte afbeelding van de kernen vóór de inslag. Een bolvormige zuurstofkern en een vervormde neon-kern laten verschillende geometrische sporen achter in de collectieve uitdijing, ook al zijn de kernen zelf veel te klein om rechtstreeks in beeld te brengen.

Een nieuwe aanvulling op onderzoek naar kernstructuur

Kernvervorming wordt traditioneel onderzocht bij lagere energieën, onder meer via rotatiebanden, trillingstoestanden en elektromagnetische overgangen. Het programma met lichte ionen bij de LHC voegt daar een methode met hoge energie aan toe: laat kernen met bijna de lichtsnelheid botsen, volg hoe de sterk op elkaar inwerkende materie uitdijt en leid uit de uiteindelijke deeltjesstroom de oorspronkelijke geometrie af.

Deze aanpak vervangt de klassieke spectroscopie niet, maar vormt een aanvulling. Ze maakt het mogelijk te onderzoeken hoe de vorm van de volledige kern — en mogelijk ook fluctuaties op kleinere afstandsschalen — de dynamiek van een extreem heet en snel uitdijend systeem beïnvloedt. Tegelijk biedt ze een gecontroleerde omgeving om hydrodynamische modellen te testen in zeer kleine systemen, waar de geometrie gevoeliger is voor aannames in de berekeningen.

Daarmee verbindt het onderzoek twee gebieden die vaak los van elkaar worden bestudeerd: de structuur van atoomkernen en de eigenschappen van de materie die kort na de oerknal het heelal vulde.

Kan helium-4 de ondergrens aangeven?

Nog lichtere projectielen, waaronder helium-4, zouden een volgende test kunnen vormen van de ondergrens voor collectief gedrag. Door zulke kernen te vergelijken met zuurstof en neon kunnen onderzoekers nagaan bij welke afname van systeemgrootte, levensduur en energiedichtheid signalen van collectieve stroming en energieverlies zwakker worden of verdwijnen.

Dat zou kunnen helpen bepalen welke minimale omstandigheden nodig zijn voor QGP-achtig gedrag. Bovendien levert helium-4 een nieuwe kerngeometrie op om modellen van zowel kernstructuur als sterk wisselwerkende materie te toetsen.

De beschikbare bronnen bevestigen echter geen helium-4-run, tijdschema of verwachte gevoeligheid. Het is daarom beter om helium-4 te zien als een mogelijke toekomstige onderzoekslijn, niet als een aangekondigd resultaat.