Helmholtz Forschungsakademie Hessen für FAIR

In der Welt der Teilchenphysik ist das Universum weitaus komplexer und faszinierender als wir uns das vorstellen können. Ein wichtiger Bereich dieser Forschung sind Schwerionenkollisionen, bei denen schwere Atomkerne mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinandertreffen. Diese extrem heißen und dichten Bedingungen ermöglichen es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, die fundamentalen Eigenschaften der Materie zu erforschen. In diesem Zusammenhang ist es besonders interessant sich  Resonanzzerfälle zu Dileptonen anzuschauen, ein Prozess, der insbesondere beim HADES-Experiment an der GSI eine Schlüsselrolle spielt.

Aber was sind Resonanzzerfälle und warum sind sie wichtig?

Stellen wir uns Resonanzen als kurzlebige "Zwischenzustände" vor, die in komplexen Kollisionen entstehen und schnell wieder zerfallen. Diese Teilchen sind enorm wichtig, um das Verhalten von Quarks und Gluonen – den Grundbausteinen der Materie – unter extremen Bedingungen zu verstehen. Der Zerfall in Dileptonen (sprich ein Lepton und Anti-Lepton-Paar, d.h. Elektron-Positron- oder Myon-Antimyon-Paare) ist besonders aufschlussreich, da diese Leptonen kaum mit der umgebenden Materie wechselwirken und somit fast "unberührte" Informationen über den ursprünglichen Zustand liefern können.

Diese Eigenschaft macht sich das HADES-Experiment an der GSI zunutze.

HADES steht für "High Acceptance Di-Electron Spectrometer". Das Experiment, angesiedelt an der GSI in Darmstadt, ist ein riesiger Detektor, der darauf ausgelegt ist, Dileptonen aus Schwerionenkollisionen zu erfassen. Durch die Analyse dieser Dileptonen können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Erkenntnisse über die extrem heißen und dichten Bedingungen liefern, die in der Kollision (und auch unmittelbar nach dem Urknall) herrschten.

Aber wie messen wir die Dileptonen denn?

Nachdem Schwerionen wie Gold- oder Blei-Ionen in einem Beschleuniger auf nahezu Lichtgeschwindigkeit gebracht  und dann zur Kollision gebracht werden, hinterlassen verschiedene Teilchen unterschiedliche Spuren in den Detektoren. Die Dileptonen sind hier besonders, da sie eine besondere sogenannte"Signatur" haben. Sie treten immer im Doppelpack auf, sprich ein Teilchen und Antiteilchen. Dadurch und durch andere Eigenschaften der Spuren im Detektor ist HADES in der Lage, die erzeugten Dileptonen mit hoher Präzision zu messen.

Die Messung von Dileptonen im HADES-Experiment ist eine wahre Meisterleistung der Ingenieurskunst und Physik. Das Prinzip ist einfach wie faszinierend: Nach der Kollision der Schwerionen entstehen diverse Partikel, einschließlich die gesuchten Resonanzen, die wiederum sehr schnell in Dileptonen zerfallen. Der Detektor von HADES ist ringförmig um den Kollisionspunkt angeordnet und besteht aus verschiedenen Schichten von Sensoren und Materialien, die dafür entwickelt wurden, die unterschiedlichen Partikelarten zu identifizieren und ihre Bahnen zu verfolgen. Die Dileptonen – in der Regel Elektron-Positron-Paare – durchqueren den Detektor nahezu ungehindert, da sie nur sehr schwach mit der Materie wechselwirken. Sie hinterlassen dabei charakteristische Spuren (sogenannte Cherenkov-Strahlung), die von den Sensoren erfasst werden. Durch die hohe zeitliche und räumliche Auflösung des Detektors können die Forscher die genauen Eigenschaften dieser Dileptonen bestimmen, und somit Rückschlüsse auf die Bedingungen und Eigenschaften der ursprünglichen Resonanzpartikel und der Kollision selbst ziehen. So werden aus den schwer fassbaren Phantomen der Resonanzzerfälle konkrete Daten, die unser Verständnis der Materie und des Universums erweitern.

Das HADES-Experiment hat uns bereits wertvolle Daten über die Eigenschaften von stark wechselwirkender Materie geliefert. Durch die Untersuchung der Resonanzzerfälle in Dileptonen können die Forscherinnen und Forscher der HFHF die Temperatur, Druckverhältnisse und die Eigenschaften im Inneren der Kollision untersuchen. Diese Daten sind nicht nur aus purem theoretischen Interesse interessant, sondern liefern uns wichtige Bausteine für  das Verständnis des Universums.