Während ein Deuteron nur durch die Energie von einigen Millionen Elektronenvolt zusammengehalten wird, erreichen Proton–Proton-Kollisionen am LHC Energien im Bereich von Billionen Elektronenvolt – also etwa eine Millionmal mehr. Unter solchen Bedingungen sollten leichte Kerne sofort zerfallen, und doch werden Deuteronen und sogar Antideuteronen regelmäßig beobachtet. Bislang war jedoch unklar, welcher mikroskopische Mechanismus zu ihrer Entstehung führt.
Die neue Studie verwendet eine Technik namens Femtoskopie, die untersucht, wie Teilchenpaare in ihrem Impuls miteinander korreliert sind, um den Moment der Deuteronenbildung in Proton–Proton-Kollisionen zu bestimmen. Die Forschenden konzentrierten sich auf Korrelationen zwischen Deuteronen und Pionen, den leichten Teilchen, die in großer Zahl bei solchen Kollisionen entstehen. Durch die Analyse feiner Muster in diesen Korrelationen fanden sie eindeutige, modellunabhängige Hinweise darauf, dass die meisten Deuteronen nicht direkt aus der Kollision hervorgehen. Stattdessen entstehen sie durch einen Fusionsprozess, der nach dem Zerfall extrem kurzlebiger Zwischenzustände – sogenannter Δ-Resonanzen – abläuft. Ein dabei erzeugtes Pion wirkt gewissermaßen als „Katalysator“, indem es überschüssige Energie abführt und so die Fusion zweier Nukleonen ermöglicht.
Die Ergebnisse zeigen, dass rund 80 % aller in diesen Kollisionen beobachteten Deuteronen und Antideuteronen durch eine solche resonanzunterstützte Fusion entstehen und nicht durch direkte Emission. Damit wird eine zentrale Frage geklärt, wie leichte Kerne in hochtemperierten hadronischen Umgebungen überhaupt bestehen und entstehen können. Über die grundsätzliche Einsicht in das Verhalten von Materie unter extremen Bedingungen hinaus liefert das Ergebnis auch wichtige Impulse für die Astrophysik: Eine präzise Modellierung der Produktion leichter Kerne ist entscheidend für die Interpretation von Messungen der kosmischen Strahlung und für die Suche nach dunkler Materie, bei der seltene Antikerne im Weltraum als mögliche Signale dienen.