Zwareionenbotsingen

Zwareionenbotsingen zijn experimenten in de kern- en deeltjesfysica waarbij zware atoomkernen, zoals goud (Au), lood (Pb) of xenon (Xe), met hoge energie tegen elkaar botsen. Doel is het onderzoeken van materie onder extreme temperaturen en dichtheden, met als belangrijkste vraagstuk de vorming en eigenschappen van quark-gluon plasma (QGP), een toestand waarin quarks en gluonen niet langer gebonden zijn in hadronen.

Belangrijke onderzoeksfaciliteiten zijn het Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in Brookhaven National Laboratory en het Large Hadron Collider (LHC) van CERN. RHIC voert Au+Au en Cu+Cu botsingen uit bij verschillende energies; het LHC registreert Pb+Pb botsingen en, in toenemende mate, Xe+Xe. Experimentele metingen worden uitgevoerd met detectors als STAR en PHENIX bij RHIC en ALICE, ATLAS en CMS bij LHC.

Belangrijke observables zijn onder meer elliptische stroming v2, wat wijst op een vloeibaar QGP-gedrag, jet quenching (energieverlies van door het medium bewegende partonen), en de productiepatronen van verschillende hadrons (inclusief strangeness). De waarnemingen worden vaak samengevat in statistieken zoals R_AA en vergeleken met hydrodynamische modellen en partonenergieverliesmodellen om de eigenschappen van het medium te bepalen.

Resultaten uit zwareionenbotsingen leveren bewijs voor de vorming van een heet en dicht QGP en laten zien dat het medium zich gedraagt als een bijna perfecte vloeistof met een lage viscositeit, wat nieuwe inzichten biedt in de sterke interactie en QCD onder extreme condities.

Historisch gezien ontstond het idee van zwareionenbotsingen in de late twintigste eeuw; eerste experimenten vonden plaats in de jaren negentig en vroege jaren 2000 bij RHIC en CERN. Sinds de jaren 2010 leveren LHC-experimenten steeds preciezere waarnemingen. Toekomstige upgrades aan detectors en verbeterde theoretische modellen zullen de kennis verder vergroten.