ALICE-Experiment klärt Entstehung leichter Atomkerne durch Resonanzzerfall

Wissenschaftler der internationalen ALICE-Kollaboration am Large Hadron Collider (LHC) des CERN haben einen fundamentalen Mechanismus der Teilchenphysik aufgeklärt: die Entstehung von leichten Atomkernen wie Deuteronen und Antideuteronen unter extremen Kollisionsbedingungen. Die Entdeckung, maßgeblich vorangetrieben von Forschern der Technischen Universität München (TUM), liefert die definitive Erklärung für das Überleben dieser fragilen Kerne in Umgebungen, die kurzzeitig Temperaturen von über 100.000-mal heißer als das Zentrum der Sonne erreichen. Die Ergebnisse dieser Forschung wurden im Dezember 2025 in der Fachzeitschrift Nature publiziert und adressieren eine jahrzehntelange Unklarheit bezüglich der starken Wechselwirkung, der fundamentalen Kraft, welche Protonen und Neutronen im Atomkern zusammenhält.

Die Forschungsergebnisse legen dar, dass die für die Deuteronbildung notwendigen Protonen und Neutronen nicht bereits im initialen, heißesten Stadium der Kollision existieren. Stattdessen entstehen diese Nukleonen erst durch den Zerfall kurzlebiger, energiereicher Teilchenzustände, die als Resonanzen, insbesondere die $\Delta(1232)$-Resonanz, identifiziert wurden. Diese neu generierten Bestandteile kombinieren anschließend durch eine Kernfusion im späten Stadium der Kollision, während sich das System abkühlt und beruhigt. Prof. Laura Fabbietti von der TUM, die auch als Sprecherin des ALICE-Forschungsprogramms an der TUM fungiert, betonte, dass die Messungen bestätigen, dass die Bildung leichter Kerne in „etwas kühleren und ruhigeren“ Bedingungen stattfindet, nicht während der extremsten Phase.

Die quantitativen Messungen des ALICE-Detektors, der speziell zur Untersuchung der starken Wechselwirkung konzipiert ist und bis zu 2000 Teilchen pro Kollision verfolgen kann, zeigten, dass ungefähr 90 Prozent der beobachteten (Anti-)Deuteronen über diesen Resonanzzerfalls-Pfad entstehen. Dieser Mechanismus bietet eine konkrete mikroskopische Erklärung dafür, wie derart locker gebundene Kerne in einer Umgebung entstehen können, die weit über ihrer normalen Bindungsenergie liegt. Die ALICE-Kollaboration, die am CERN in Genf beheimatet ist und deren LHC Proton-Proton-Kollisionen mit Energien von 13.6 TeV im Run 3 verzeichnete, nutzt diese Ereignisse, um die Bedingungen des frühen Universums nachzubilden.

Diese wissenschaftliche Klärung hat weitreichende Implikationen, die über die Grundlagenforschung der Kernphysik hinausgehen. Dr. Maximilian Mahlein von der TUM hob hervor, dass die Erkenntnisse für die Astrophysik von Bedeutung sind, insbesondere bei der Interpretation von Daten kosmischer Strahlung. Die Verfeinerung von Modellen basierend auf diesen neuen Daten könnte potenziell neue Wege zur Erforschung der Natur der Dunklen Materie eröffnen. Die TUM, an der die führenden Forscher tätig sind, erhielt im Mai 2025 die Bestätigung für die zweite Förderphase des ORIGINS Cluster of Excellence, der sich mit der Entstehung des Universums befasst und an dem auch die Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) beteiligt ist. Ergänzend wurde Prof. Laura Fabbietti zusammen mit Prof. Lukas Heinrich im April 2025 mit dem Breakthrough Prize in Fundamental Physics ausgezeichnet.

Der ALICE-Detektor, dessen erste Blei-Blei-Kollisionen bereits 2010 stattfanden, ist darauf spezialisiert, die Eigenschaften der stark wechselwirkenden Materie zu untersuchen. Die jüngsten Protonenläufe im Jahr 2025 lieferten die Grundlage für diese spezifische Analyse, wobei ALICE bei Schwerionenkollisionen eine hohe Effizienz erreichte. Die nun gelöste Frage der Deuteron-Bildung stärkt die Verbindung zwischen den experimentellen Ergebnissen aus dem Labor und kosmologischen Modellen, was einen wichtigen Schritt für das Verständnis der Materieentwicklung darstellt.