I fisici nucleari stanno cercando di capire come le particelle chiamate quark e gluoni si combinano per formare adroni, particelle composite composte da due o tre quark. Per studiare questo processo, chiamato adronizzazione, un team di fisici nucleari ha utilizzato il rivelatore STAR presso il Relativistic Heavy Ion Collider, una struttura utilizzata dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per la ricerca sulla fisica nucleare presso il Brookhaven National Laboratory del DOE, per misurare l'abbondanza relativa di alcuni adroni a due e tre quark creato in collisioni energetiche di nuclei d'oro. Le collisioni "sciolgono" momentaneamente i confini tra i singoli protoni e neutroni che compongono i nuclei d'oro in modo che gli scienziati possano studiare come i loro mattoni interni, i quark e i gluoni, ricombinare.

I fisici della STAR hanno studiato particelle contenenti quark "fascino" pesanti, che sono più facili da tracciare rispetto alle particelle più leggere, per vedere come le misurazioni combaciavano con le previsioni di diverse spiegazioni dell'aronizzazione. Le misure, pubblicato in Lettere di revisione fisica , ha rivelato molti più adroni a tre quark di quanto ci si sarebbe aspettato da una spiegazione ampiamente accettata dell'aronizzazione nota come frammentazione. I risultati suggeriscono che, Invece, i quark nella zuppa densa di particelle creata al RHIC si ricombinano più direttamente attraverso un meccanismo noto come coalescenza.

"Gli adroni fatti di due o tre quark sono gli elementi costitutivi della materia visibile nel nostro mondo, compresi i protoni e i neutroni che costituiscono i nuclei degli atomi. Ma non vediamo mai i loro elementi costitutivi interni - i quark e i gluoni - come oggetti liberi perché i quark sono sempre "confinati" all'interno di particelle composite, " disse Xin Dong, un fisico presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) del DOE e leader di questa analisi per la STAR Collaboration.

Le collisioni di ioni pesanti di RHIC creano uno stato della materia noto come plasma di quark-gluoni (QGP), una zuppa calda di particelle che imita com'era l'universo primordiale, in cui i quark sono "deconfinati, " o liberati, dai loro limiti ordinari all'interno di particelle composite chiamate adroni.

"Tracciando le particelle che fuoriescono dalle collisioni di RHIC possiamo esplorare il meccanismo dell'aronizzazione e come la forza nucleare forte mantiene i quark confinati nella materia ordinaria, " disse Helen Caines, professore alla Yale University e co-portavoce della STAR Collaboration.

I fisici STAR hanno misurato gli adroni incantati (adroni contenenti quark "charm" pesanti) utilizzando l'Heavy Flavor Tracker (HFT) ad alta risoluzione installato al centro della camera di proiezione del tempo larga 4 metri del rivelatore STAR di RHIC.

"L'HFT "ingrandisce" particelle come la lambda incantata a tre quark, che decade a meno di 0,1 millimetri dal centro della collisione, ", ha affermato il fisico del Brookhaven Lab Flemming Videbaek, il project manager di STAR HFT.

Combinando "colpi" nell'HFT con misurazioni dei prodotti di decadimento più lontano nel rivelatore STAR, i fisici possono contare quante particelle lambda incantate da tre quark rispetto alle particelle "D-zero" (D0) incantate di due quark emergono dal QGP.

"Abbiamo utilizzato una tecnica di apprendimento automatico supervisionato per sopprimere il grande sfondo per il rilevamento di particelle lambda incantate, " disse Sooraj Radhakrishnann, un borsista post-dottorato della Kent State University e del Berkeley Lab che ha condotto l'analisi principale.

I risultati di STAR hanno contato le lambda incantate e le particelle D0 in numero quasi uguale. Quello era un lambda molto più incantato di quanto fosse stato previsto da un meccanismo di adronizzazione ben accettato noto come frammentazione.

"La frammentazione descrive accuratamente molti risultati sperimentali di esperimenti di fisica delle particelle ad alta energia, " ha detto Dong. Il meccanismo coinvolge quark energetici o gluoni che "eccitano" il vuoto e "si scindono" per formare coppie quark-antiquark. Con il progredire del processo di scissione, crea un abbondante pool di quark e antiquark che possono combinarsi per formare adroni a due e tre quark, Lui ha spiegato.

Ma la spiegazione della frammentazione prevede che da collisioni di ioni pesanti nell'intervallo di quantità di moto misurato a RHIC dovrebbero emergere meno particelle lambda incantate rispetto alle particelle D0. L'osservazione di STAR del "potenziamento del barione incantato" (che risulta in un numero quasi uguale di lambda incantata e particelle D0) supporta un meccanismo alternativo per l'aronizzazione. Conosciuto come coalescenza, questa spiegazione presuppone che la densità della zuppa di particelle QGP di RHIC porti i quark abbastanza vicini da consentire loro di ricombinarsi direttamente in particelle composite.

"I risultati di STAR suggeriscono che la coalescenza gioca un ruolo importante nell'adronizzazione del quark charm nelle collisioni di ioni pesanti, almeno nell'intervallo di quantità di moto misurato in questo esperimento, " Disse Dong.

Comprendere il meccanismo della coalescenza può offrire nuove intuizioni che aiutano a rivelare come quark e gluoni vengono confinati all'interno degli adroni per costruire la struttura dei nuclei atomici, il cuore della materia che costituisce tutto ciò che è visibile nel nostro mondo.