Jahrzehntelang galt für die Erzeugung von Quark-Gluon-Plasma (QGP) – der ultraheißen Suppe aus freien Quarks und Gluonen, die das Universum in seinen ersten Millionstelsekunden erfüllte – eine einfache Regel: Nimm die größten Kerne, die du kriegen kannst. Blei, genauer gesagt, das mehr als 200-mal schwerer ist als die Protonen, die üblicherweise in LHC-Experimenten verwendet werden. Die Annahme war, dass nur solche Schwergewichte den enormen Druck und die Hitze erzeugen können – Temperaturen über 100.000-mal denen im Sonnenzentrum –, bei denen Protonen und Neutronen aufhören, zusammenzuhalten, und sich in ihre Bestandteile, Quarks und Gluonen, auflösen.

Es stellt sich heraus, dass das Universum vielleicht sparsamer war. Ein Jahr nach den ersten Sauerstoff-Kollisionen am Large Hadron Collider (LHC) haben alle vier großen Forschungskollaborationen – ALICE, ATLAS, CMS und LHCb – nun Hinweise gemeldet, dass diese Urform der Materie auch bei Kollisionen von Sauerstoff- und Neonkernen entstehen kann. Ja, Sauerstoff und Neon. Das Leichtgewicht-Zeug. Die Teilnahmeurkunden-Kerne.

Die Ergebnisse stellen eine lang gehegte Annahme über die enormen Kräfte infrage, die zur Erzeugung einer so extremen Substanz nötig sind, und bieten Wissenschaftlern einen neuen Weg, die Bedingungen zu untersuchen, die in den frühesten Momenten des Universums herrschten.

Eine der klarsten Methoden, QGP zu identifizieren, besteht darin, zu beobachten, was passiert, wenn energiereiche Quarks und Gluonen versuchen, sich durch es hindurchzupflügen. Während diese Teilchen sich durch das extrem heiße und dichte Material bewegen, verlieren sie einen Teil ihrer Energie – ein Prozess, den Wissenschaftler Parton-Energieverlust nennen, und ein praktischer Hinweis darauf, dass sich QGP gebildet hat. Die ATLAS-Kollaboration wies diesen Effekt deutlich nach, indem sie Paare von Teilchenjets untersuchte – konzentrierte Teilchenströme, die entstehen, wenn energiereiche Quarks und Gluonen aus einer Kollision hervorgehen –, die bei Sauerstoff-Sauerstoff- und Neon-Neon-Kollisionen erzeugt wurden. Die Forscher beobachteten Energieunterschiede zwischen den gepaarten Jets, was darauf hindeutet, dass einige der Teilchen beim Durchqueren des umgebenden Materials Energie verloren hatten. Der Effekt war besonders ausgeprägt bei direkteren, frontalen (zentralen) Kollisionen, von denen erwartet wird, dass sie ein größeres Plasmavolumen erzeugen, wodurch die Teilchen mehr Material durchqueren und größeren Energieverlust erleiden. Vorläufige ATLAS-Ergebnisse bestätigen dies: Bei der Untersuchung geladener Teilchen, die in entgegengesetzter Richtung zu Photonen zurückstoßen, fanden die Forscher einen ähnlichen Zusammenhang zwischen Energieverlust und der Zentralität der Kernkollisionen.

ALICE, CMS und LHCb suchten mit einem anderen Ansatz nach demselben zugrunde liegenden Prozess. Statt sich hauptsächlich auf die Jet-Energie zu konzentrieren, untersuchten sie, wie das Plasma die Produktion bestimmter energiereicher Teilchen zu unterdrücken scheint. CMS fand heraus, dass die Produktion geladener Teilchen sowohl bei Sauerstoff-Sauerstoff- als auch bei Neon-Neon-Kollisionen im Vergleich zu Proton-Proton-Kollisionen unterdrückt war – konsistent mit Teilchen, die innerhalb von QGP Energie verlieren, und ein weiterer Beleg dafür, dass das exotische Material auch bei Kollisionen mit leichteren Kernen entstehen kann. LHCb meldete in einer separaten Studie einen weiteren wichtigen Hinweis: Sie untersuchten Teilchen, die ein Charm-Quark und ein leichteres Quark enthalten, und verglichen, wie stark ihre Produktion bei Sauerstoff- und Neonkollisionen unterdrückt wurde. Die Unterdrückung war bei den schwereren Neonkollisionen ausgeprägter – genau das Verhalten, das Wissenschaftler erwarten würden, wenn größere Kollisionen größere Plasmavolumina erzeugen, wodurch Teilchen beim Durchqueren mehr Energie verlieren.

Eine verringerte Teilchenproduktion beweist jedoch nicht unbedingt, dass Energieverlust dafür verantwortlich ist; andere physikalische Prozesse könnten potenziell ähnliche Effekte hervorrufen. Daher verglich ALICE die Produktion neutraler Pionen, einer anderen Art subatomarer Teilchen, bei Sauerstoff-Sauerstoff- und Proton-Sauerstoff-Kollisionen. Der Vergleich lieferte eindeutige Hinweise auf Parton-Energieverlust bei Sauerstoff-Sauerstoff-Kollisionen und stärkte die These, dass selbst relativ kleine Kernkollisionen Bedingungen erzeugen können, die mit QGP assoziiert werden.

Die Forscher suchten auch nach einem weiteren