Ein Boot zieht auf dem Wasser eine Spur hinter sich her – und offenbar tun das auch energiereiche Quarks und Gluonen, wenn sie durch das Quark-Gluon-Plasma rasen. Das CMS-Experiment am CERN hat diesen sogenannten Diffusions-Nachlauf mit mehr als 5 Sigma nachgewiesen, also oberhalb der in der Teilchenphysik üblichen Schwelle für eine Beobachtung. Das CERN hat das Ergebnis am 29. Oktober als erste direkte Beobachtung des Effekts vorgestellt. Ganz neu ist es für die Fachwelt allerdings nicht: Die begutachtete Facharbeit erschien bereits am 13. August 2026 in Physical Review Letters, ein Preprint ist seit Februar öffentlich, und CMS hatte das Ergebnis im Juli in einer eigenen Kurzmeldung beschrieben.

Ursuppe im Kleinformat: das Quark-Gluon-Plasma

Heute sind Quarks fest in größeren Teilchen wie Protonen und Neutronen eingeschlossen, zusammengehalten von Gluonen. In den ersten Millionstelsekunden nach dem Urknall war das anders: Quarks und Gluonen bewegten sich frei in einem extrem heißen, dichten Zustand, dem Quark-Gluon-Plasma (QGP). Am Large Hadron Collider (LHC) lässt sich dieser Zustand kurzzeitig nachstellen, indem Bleikerne mit jeweils Hunderten Protonen und Neutronen frontal kollidieren. Dabei entsteht ein winziger Feuerball, laut CERN 30- bis 50-mal dichter als ein gewöhnlicher Atomkern. Nach etwa 10⁻²² Sekunden ist er wieder verschwunden: Das Plasma kondensiert zu gewöhnlichen Hadronen wie Pionen und Kaonen. Frühere Experimente zeigten, dass sich das QGP nicht wie ein Gas verhält, wie viele erwartet hatten, sondern wie eine nahezu reibungsfreie Flüssigkeit.

Wie viel Plasma entsteht, hängt davon ab, wie mittig die Kerne aufeinandertreffen. Fachleute sprechen von der Zentralität: 0 Prozent steht für vollständige Überlappung, höhere Werte für zunehmend streifende Stöße.

Schematisches Phasendiagramm stark wechselwirkender Materie mit Temperatur über baryochemischem Potenzial: unten links Hadronengas, oben rechts Quark-Gluon-Plasma, dazwischen eine Übergangslinie mit kritischem Punkt

Bild: Schematisches Phasendiagramm stark wechselwirkender Materie. Bei hohen Temperaturen – wie im frühen Universum oder in Schwerionenkollisionen – geht gewöhnliche Kernmaterie in das Quark-Gluon-Plasma über; der genaue Verlauf der Grenzen ist nur teilweise bekannt. Grafik: Rajeev S. Bhalerao, Wikimedia Commons, Lizenz CC BY 4.0

Jet-Quenching: Das Plasma bremst schnelle Teilchen

Gelegentlich stoßen bei einer Kollision zwei Quarks oder Gluonen – zusammengefasst Partonen – so heftig zusammen, dass sie in entgegengesetzte Richtungen davonfliegen. Jedes davon erzeugt einen gebündelten Teilchenschauer, einen sogenannten Jet. Durchquert ein Parton das Plasma, verliert es Energie. Dieses Jet-Quenching wurde vor mehr als zwei Jahrzehnten am Schwerionenbeschleuniger RHIC in den USA beobachtet und später am LHC bei deutlich höheren Energien bestätigt.

Die abgegebene Energie verschwindet nicht, sie geht auf das Plasma über, und das Medium reagiert darauf. Theoretiker sagten dafür schon vor über 20 Jahren charakteristische Muster voraus: einen kegelförmigen Effekt ähnlich einem Mach-Kegel und einen Diffusions-Nachlauf, also ein Defizit an Teilchen in der Richtung entgegengesetzt zur Flugrichtung des Jets. Experimentell ließ sich das lange nicht klar zeigen, denn die erwarteten Signale sind schwach und werden leicht von anderen Effekten überdeckt – etwa von Veränderungen des Jets selbst. ATLAS suchte den Nachlauf in Ereignissen mit einem Photon und einem Jet, fand aber keine signifikante Evidenz. CMS hatte in Ereignissen mit einem Z-Boson und einem Jet erste Hinweise gefunden, die für eine Beobachtung jedoch nicht ausreichten.

Der Trick mit den Jet-Paaren

Für die neue Analyse setzte CMS auf Paare von Jets, die nahezu Rücken an Rücken auseinanderfliegen. Solche Dijets sind weit häufiger als Ereignisse mit Z-Boson und Jet, die Statistik ist also deutlich besser. Der stärkere Jet musste einen Transversalimpuls von mehr als 130 Gigaelektronenvolt (GeV) haben, der schwächere mehr als 50 GeV, und beide mussten – rund um die Strahlachse betrachtet – um mindestens 150 Grad auseinanderliegen.

Der Kniff stammt aus neueren theoretischen Arbeiten: Fliegen die beiden Jets zusätzlich unter deutlich unterschiedlichen Winkeln zur Strahlachse davon (Fachbegriff: Pseudorapidität), landet der Nachlauf an einer anderen Stelle als die Teilchen der Jets selbst. Bei Jet-Paaren ohne diesen Versatz liegt dagegen alles übereinander. CMS zog deshalb die Teilchenverteilungen der Paare mit kleinem Versatz von denen mit großem Versatz ab – übrig bleibt im Idealfall der Nachlauf. Diese Differenz verglichen die Forscher anschließend zwischen Blei-Blei-Kollisionen, in denen Plasma entsteht, und Proton-Proton-Kollisionen, in denen das nicht erwartet wird.

Grundlage sind Blei-Blei-Daten aus dem Jahr 2018 mit einer integrierten Luminosität von 0,66 inversen Nanobarn sowie Proton-Proton-Referenzdaten von 2017 (299 inverse Pikobarn), jeweils bei einer Schwerpunktsenergie von 5,02 Teraelektronenvolt pro Nukleonpaar.

Deutliches Teilchendefizit mit mehr als 5 Sigma

In den Blei-Blei-Kollisionen zeigt sich genau dort ein ausgeprägtes Defizit an geladenen Teilchen, wo der Nachlauf erwartet wird. Am stärksten ist der Effekt in zentralen Kollisionen (Zentralität 0 bis 30 Prozent), in denen am meisten Plasma entsteht. Für geladene Teilchen mit einem Transversalimpuls zwischen 1 und 2 GeV weicht das Signal dort um mehr als fünf Standardabweichungen von null ab. In peripheren Kollisionen (50 bis 80 Prozent) und bei energiereicheren Teilchen zwischen 2 und 4 GeV fällt das Defizit schwächer aus.

Auch der Vergleich mit Modellen passt ins Bild. Eine Standardsimulation ohne Jet-Quenching zeigt keinerlei Defizit, während Modelle mit Energieverlust und Reaktion des Mediums die Trends qualitativ wiedergeben. Im Detail gibt es Unterschiede: Das sogenannte Hybrid-Modell überschätzt das Defizit bei niedrigen Impulsen. Das Modell CoLBT-hydro liegt näher an den Daten, lässt sich aber nur eingeschränkt vergleichen, weil es Vorhersagen nur für die zentralsten Kollisionen (0 bis 10 Prozent) gibt.

Die Fachzeitschrift Physical Review Letters hat die Arbeit nach Peer-Review veröffentlicht; das Magazin Physics der American Physical Society griff sie am selben Tag in einer eigenen Kurzmeldung auf.

Was das Ergebnis bedeutet

Olga Evdokimov von der University of Illinois Chicago, eine der Leiterinnen der Analyse, spricht vom Abschluss einer jahrzehntelangen Suche: Der Effekt sei vor mehr als 20 Jahren vorhergesagt worden, habe sich in den Daten aber lange entzogen. Raghunath Pradhan, ebenfalls aus Chicago und Hauptanalyst der Studie, sieht darin einen neuen Zugang, um Eigenschaften und Dynamik des Plasmas zu vermessen – und damit auch Einblicke in die Entwicklung des frühen Universums.

Konkret liefert der Nachlauf eine neue Messgröße dafür, wie das Plasma auf eingetragene Energie reagiert. Laut der Zusammenfassung in Physics eröffnet das die Möglichkeit, zwischen verschiedenen vorgeschlagenen Mechanismen für Energieverlust und Mediumreaktion zu unterscheiden. Dass die Modelle zwar den Trend, aber nicht alle Details treffen, gibt Theoretikern konkrete Prüfsteine an die Hand. Einschränkend gilt: Die Analyse beruht auf Daten aus dem Jahr 2018, und die 5-Sigma-Schwelle wird für zentrale Kollisionen und Teilchen mit 1 bis 2 GeV überschritten; in den übrigen Bereichen ist das Signal schwächer.

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