Eine zentrale Voraussage der Theorie der starken Wechselwirkung (Quantenchromodynamik oder QCD) ist die Existenz eines speziellen Zustandes der Materie, nämlich des Quark-Gluon Plasmas (QGP), der auch am Anfang des Universums -- Sekundenbruchteile nach dem Urknall -- geherrscht haben könnte. In dieser "Ur-Materie" wären Quarks nicht mehr in Teilchen gebunden, sondern würden sich zusammen mit Gluonen - den Trägern der starken Wechselwirkung - fast frei bewegen. Seit vielen Jahren arbeiten Physiker am Nachweis und der Messung des QGP im Labor. Dazu werden durch Kollisionen von Atomkernen in einem winzigen Volumen enorme Energiedichten und Temperaturen erzeugt. Der bisherige Höhepunkt dieser Forschungsreihe sind die Kollisionen von Bleikernen, die Ende 2010 im LHC stattfanden.

Besonders geeignet für diese Untersuchungen sind die Messungen von Quarkonia, gebundenen Zuständen eines Quarks mit seinem Anti-Quark, die in diesen Kollisionen entstehen. Das CMS Experiment, das eigentlich auf die Forschung des LHC Protonprogrammes optimiert ist, bietet aber auch hervorragende Voraussetzungen für die Messung dieser Teilchen, nicht zuletzt dank der Beiträge des Instituts für Hochenergiephysik in den Bereichen der Signalauswahl und der Spurrekonstruktion.

CMS Physiker analysierten die Produktionsrate des Upsilon-Mesons und zwei seiner angeregten Zustände in Blei-Kollisionen und verglichen sie mit Proton-Kollisionen. Im Vergleich zum Grundzustand wurden in den Blei-Daten ca. 70% weniger angeregte Zustände gefunden als in den Proton-Daten. Diese Messung ist deswegen so interessant, weil die Reduktion dadurch erklärt werden könnte, dass sich die Mesonen in der heißen Materie eines Quark-Gluon-Plasmas "auflösen". Die angeregten Zustände wären stärker betroffen, weil sie eine schwächere Bindung der zwei Quarks aufweisen.

Mit den Daten der bereits geplanten nächsten Betriebsperiode mit Bleikernen am LHC werden sich diese Messungen weiter verbessern lassen. Neben der Feststellung der Produktionsraten werden auch weitergehende Analysen wie z.B. der Spinausrichtung möglich sein. Eine Analysegruppe am Institut für Hochenergiephysik arbeitet derzeit an einer detaillierten Auswertung von Quarkoniaproduktion in Proton-Daten - eine wesentliche Basis für weitere Erkenntnisse im Blei-Programm.