LHC begynder at kollidere protonstråler med stråler, der består af tunge ioner

Efter syv succesfulde måneder med at kollidere protonstråler med hinanden i jagten på nye fundamentale partikler, LHC begyndte i dag at kollidere protonstråler med stråler bestående af tunge ioner - blyatomernes kerner.

Studiet af disse asymmetriske kollisioner vil give fysikere mere præcist indblik i universets tilstand et par milliontedele af et sekund efter Big Bang.

I denne korte periode, universet var fyldt med alle slags partikler, der bevægede sig omkring med næsten lysets hastighed. Blandingen var domineret af kvarker – grundlæggende stofenheder – og af gluoner, bærere af den stærke kraft, der normalt binder kvarker til velkendte protoner og neutroner. I de første øjeblikke med ekstreme temperaturer og tætheder, protoner og neutroner var endnu ikke dannet, og kvarkerne og gluonerne var kun svagt bundet, fri til at bevæge sig på egen hånd i det, der kaldes et kvark-gluon plasma.

Normalt, fysikere genskaber disse forhold ved at kollidere med to stråler, der begge består af den samme type tunge ioner, såsom bly.

Men en nat i september 2012, LHC-fysikere valgte for første gang at kollidere stråler lavet af to forskellige partikler - tunge ioner med de mindre massive protoner. Analyserer data, forskerne var overraskede over at se i en brøkdel af kollisionerne tegn på en kollektiv udvidelse af systemet, en slags mini-Big Bang. Dette er et karakteristisk kendetegn for bly-bly-kollisioner, og velkendt for at være forbundet med egenskaberne af kvark-gluon plasma, men det var aldrig set i bly-proton-kollisioner før.

Derefter, i 2013, en hel måneds løb med proton-bly-kollisioner bekræftede disse første observationer.

Dette år, proton- og blystråler vil blive kollideret ved to forskellige energier:5,02 TeV og, senere på måneden, den maksimalt mulige 8,16 TeV. Den lavere energi vil svare til den fra bly-bly-kollisioner i 2015, de tidligere proton-bly-kollisioner og også nogle proton-proton-kollisioner, hvilket betyder, at forskere vil være i stand til at foretage direkte sammenligninger mellem alle tre.

"Proton-bly-kollisioner er noget, som LHC ikke oprindeligt var forudset til at gøre, men nu har den endnu større fysikinteresse end forventet. Alle eksperimenter er kommet med i programmet, inklusive LHCb, som oprindeligt ikke var et eksperiment med tunge ioner, " siger John Jowett, CERN acceleratorfysikeren ansvarlig for tunge ioner i LHC.

Mens alle eksperimenterne vil tage nogle data, det lavere energiløb udføres mest for forskerne ved CERNs ALICE-eksperiment, som ønsker at indsamle meget mere data, fra flere begivenheder og med højere præcision, at få bedre statistik end i 2013.

"Vi er meget begejstrede for muligheden for i denne omgang at forstå en helt ny facet af dette fænomen. At forstå, hvor stærkt vekselvirkende stof opfører sig i det mere simple proton-bly-system, kunne faktisk være nøglen til at forstå, hvordan kvark-gluon-plasmaet dannes " forklarer Federico Antinori, valgte talsmand for CERNs ALICE-eksperiment.

Blyioner har 82 gange ladningen og er 206,4 gange mere massive end protoner. Kolliderer disse asymmetriske bjælker, med meget forskellige egenskaber og levetider, fører til mange udfordringer for LHC acceleratorfysikere og operatører. Et stort forberedende ingeniørarbejde blev udført i sidste uges tekniske stop, herunder specielle ændringer af LHC's stråleinstrumentering og de systemer, der injicerer strålen.

"Man troede, at det her slet ikke ville virke, da partikler af forskellige typer bevæger sig rundt i LHC med forskellige hastigheder - ved injektionsenergi er blystrålen lidt langsommere end protonerne, så den laver syv færre drejninger rundt om ringen på et minut (protonerne laver 674, 729 på det tidspunkt). Disse problemer blev løst i 2012, men strålefysikken og den operationelle opsætning forbliver kompliceret og noget uudforsket territorium." siger Jowett.

"Det er første gang, vi har lavet bly-proton-kollisioner siden 2013, tilvejebringelse af data, der er vigtige for fortolkning af resultaterne af bly-elektrode-kollisioner, " siger Frédérick Bordry, CERNs direktør for acceleratorer og teknologi. "Det er også det sidste ionløb indtil 2018."