Nach einer fünfjährigen Pause hat der große LHC-Beschleuniger am internationalen Forschungsinstitut CERN erneut Bleiionen zur Kollision gebracht. Während des Prozesses löst sich die kollidierende Materie für einen extrem kurzen Zeitraum in ihre Bestandteile auf und erreicht einen Zustand, der dem ähnelt, der im Universum wenige Millionstel Sekunden nach dem Urknall herrschte. Die Partikelbahnen dieser Kollisionen werden vom hausgroßen ALICE-Detektor aufgezeichnet, den Forscher der Goethe-Universität beim Upgrade unterstützten. Bereits im ersten Monat der neuen Datensammlungsperiode wurde ein neuer Rekord aufgestellt: Es wurden 20-mal mehr Kollisionsevents registriert als in den Datenaufnahmephasen der vorherigen Jahre zusammen.
Am 26. September 2023 erklärte das Beschleunigerteam am Europäischen Rat für Kernforschung CERN in Genf stabile Blei-Strahlbedingungen und leitete die erste Datenaufnahmekampagne von Blei-Ionen-Kollisionen in fünf Jahren ein. In der Folge produzierte der Beschleuniger bis zum späten Abend des 29. Oktober Bleiionenkollisionen mit der weltweit höchsten Kollisionsenergie von 5,36 Tera-Elektronenvolt pro kollidierendem Atomkernpartikel (Nukleon-Nukleon-Kollision). Zusätzlich zu der Kollisionsenergie stiegen auch die Kollisionsraten signifikant im Vergleich zu den Datenaufnahmezeiträumen der Vorjahre. Der ALICE-Detektor, spezialisiert auf die Aufzeichnung von Blei-Atomkernkollisionen, registrierte 20-mal mehr Ereignisse als in den vier vorherigen Datenaufnahmeperioden zusammen – von denen jede etwa einen Monat dauerte, die erste davon datiert zurück auf 2010.
Dies ist wichtig aufgrund der enormen Anzahl von Teilchen, die während der Kollisionen in sehr kurzer Zeit erzeugt und zerfallen. Die Aufzeichnung der Bahnen dieser Teilchen ermöglicht Schlüsse darüber, was genau zum Zeitpunkt der Kollision und kurz danach passiert: Die Teilchen lösen sich in ihre elementaren Bestandteile – Quarks und Gluonen – auf und bilden eine Art “Materiesuppe”, ein sogenanntes Quark-Gluon-Plasma. Unmittelbar danach bilden sich wieder neue, sehr instabile Teilchen, die schließlich in komplexen Zerfallsketten in stabile Teilchen übergehen. Auf diese Weise untersuchen Forscher im ALICE-Experiment die Eigenschaften der Materie, wie sie kurz nach dem Urknall existierte.
Forschungsgruppen der Goethe-Universität Frankfurt sind an den Experimenten beteiligt: Der neue Rekord wurde erst durch die Aufrüstung des weltweit leistungsfähigsten Teilchenbeschleunigers, des Large Hadron Colliders (LHC), in der vierjährigen Rekonstruktionsphase von 2018 bis 2022 ermöglicht. Die Upgrades des ALICE-Detektors während des gleichen Zeitrahmens ermöglichen es ihm, die Spuren der höheren Kollisionsraten des LHC zu erfassen. Um diese Upgrades durchzuführen, war es notwendig, die Auslese-Detektoren des zentralen Detektors des Experiments, der sogenannten Time Projection Chamber (TPC), zu ersetzen. Professor Harald Appelshäuser vom Institut für Kernphysik Frankfurt (IKF) der Goethe-Universität leitet dieses 10-jährige Vorhaben.