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  • Quark-Gluon-Plasma
    Weitere Informationen zu dem Materie-Zustand, den die Wissenschaftler mit den Kollisionen der Blei-Ionen untersuchen wollen.
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    Alle Informationen zu den ersten veröffentlichen Ergebnissen der ALICE-Kollaboration zu den Kollisionen der Blei-Ionen.
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25.11.2010

Blei im LHC – Wie und Warum?

Bild einer Kollision von Blei-Ionen im ALICE-Detektor.
Foto: ALICE

Morgens, 4. November: die letzten Protonen für 2010 verlassen den LHC. Weniger als 24 Stunden später: erste Blei-Ionen kreisen im LHC. Weitere zwei Tage später: erste Kollisionen. Mittags, 8. November: stabile Bedingungen für Kollisionen. Doch damit nicht genug. Bereits zehn Tage nach den ersten Kollisionen haben die ALICE-Wissenschaftler ihre ersten Ergebnisse veröffentlicht.

Die Umstellung von Protonen auf Blei-Ionen gelang den Beschleunigerexperten sehr schnell. Alle Beteiligten waren begeistert – und zum Teil auch überrascht – wie schnell die ersten Kollisionen dann stattfanden. Die Blei-Ionen werden jetzt noch bis zum 6. Dezember im LHC kreisen, bevor der Beschleuniger in die Winterpause geht.

Doch warum benutzten die Forscher jetzt eigentlich Blei-Ionen und nicht nur Protonen? Und wie kommen die Blei-Ionen überhaupt in den LHC?

Warum Blei?


Jedes Jahr vor der Winterpause wird der LHC für etwa vier Wochen mit Blei-Ionen betrieben. Bei diesen Kollisionen sind die Forscher auf der Spur unseres Universums, wie es Millionstel Sekunden nach dem Urknall existiert hat. Sie wollen einen besonderen Materie-Zustand untersuchen – das so genannte Quark-Gluon-Plasma. In diesem heißen und dichten Materiezustand können sich die Quarks und Gluonen, die sonst fest in den Protonen und Neutronen gebunden sind, quasi frei bewegen. Die Forscher wollen unter anderem untersuchen, wie sich aus dem Quark-Gluon-Plasma unser Universum, wie wir es heute kennen, gebildet hat.

Bei den Kollisionen der Blei-Ionen werden unvorstellbare Temperaturen erreicht. Sie sind mehr 100 000-mal heißer als im Inneren der Sonne – das heißt mehr als eine Billion Grad heiß. Allerdings konzentrieren sie sich auf einem so winzig kleinen Raum, dass für die Detektoren drumherum diese Temperatur gar nicht spüren.

So sieht das Blei-Stück aus, aus dem die Blei-Ionen für den LHC stammen.

Foto: CERN

Wie kommen die Blei-Ionen in den LHC?

Blei-Atome bestehen aus einem Atomkern mit 82 Protonen und 122 bis 126 Neutronen. Dieser Atomkern ist umgeben von einer Wolke aus 82 Elektronen. Um aus den neutralen Blei-Atomen geladene Blei-Ionen zu machen, wie sie im LHC beschleunigt werden, muss man alle Elektronen vom Atom abstreifen. Dies geschieht in mehreren Schritten. Begonnen wird mit einem zwei Zentimeter großen und 500 Milligramm schweren Stück reinen Bleis, das aus Blei-Atomen besteht, die genau 126 Neutronen besitzen.

Dieses Stück Blei wird dann auf etwa 500°C erhitzt und so eine kleine Anzahl an Blei-Atomen aus dem Stück verdampft. Mit einem Elektronenstrom werden jedem Atom ein paar Elektronen entrissen – maximal kann man den Blei-Atomen in diesem Schritt 29 Elektronen entreißen und erhält so Blei-Ionen, die noch 53 Elektronen haben. Genau diese Blei-Ionen werden ausgesiebt und auf eine Energie von 4,2 Megaelektronenvolt pro Kernbaustein (also Proton und Neutron) beschleunigt und dann durch eine Kohlenstofffolie geschossen, die weitere Elektronen abstreift. Anschließend werden die Blei-Ionen, die jetzt noch 28 Elektronen besitzen, in einem Beschleuniger namens Low Energy Ion Ring LEIR auf eine Energie 72 Megaelektronenvolt pro Kernbaustein beschleunigt. Der nächste Vorbeschleuniger ist das PS, das Proton Synchrotron. Hier werden die Blei-Ionen auf 5,9 Gigaelektronenvolt pro Kernbaustein beschleunigt, bevor sie erneut durch eine Folie geschossen werden, die den Blei-Ionen alle Elektronen entreißt – die Blei-Ionen haben dann die Gestalt erreicht, in der sie im LHC zur Kollision gebracht werden.

Es folgen nun noch zwei weitere Beschleunigungsstufen: zunächst im SPS auf 177 Gigaelektronenvolt pro Kernbaustein und dann im LHC auf 2,76 Teraelektronenvolt pro Kernbaustein. Bei dieser Energie kollidieren die Blei-Ionen dann in ALICE, ATLAS und CMS. Bis zu 18 000 Teilchen entstehen in einer einzigen Kollision. Bereits mit einem Monat Datennahme erwarten die Forscher viele neue Erkenntnisse und wir sind gespannt was sie finden werden.

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