Schema grafico del momento angolare delle collisioni di ioni pesanti. Lo spin 1 K*0 è rappresentato come una trottola. Credito:prodotto dalla collaborazione ALICE per https://journals.aps.org/prl/highlights
La collaborazione ALICE è un ampio gruppo di ricercatori di oltre 100 istituti di fisica in tutto il mondo che si concentra sullo studio del plasma di quark-gluoni utilizzando i dati raccolti dal rivelatore ALICE (A Large Ion Collider Experiment). ALICE è un rivelatore di ioni pesanti progettato per esaminare la fisica della materia che interagisce fortemente a densità di energia estreme, che fa parte dell'anello acceleratore di particelle Large Hadron Collider (LHC) del CERN.
Uno degli obiettivi chiave dell'esperimento ALICE è quello di ottenere una migliore comprensione delle proprietà delle forme di plasma di quark e gluoni durante le collisioni ad alta energia tra nuclei pesanti. L'esperimento ha recentemente portato a una serie di osservazioni interessanti, delineato in un articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , che forniscono la prima prova delle interazioni spin-orbitale del momento angolare nelle collisioni relativistiche di ioni pesanti.
"Quando le collisioni ad alta energia tra nuclei pesanti non sono centrali (cioè, non a testa alta), impartiscono al plasma formato un momento angolare molto grande, stimato essere dell'ordine di 10 7 ħ – equivalente all'ordine di 10 21 giri al secondo, "Luciano Musa, portavoce della collaborazione ALICE, ha detto a Phys.org. "In linguaggio semplificato, si forma una gocciolina di quark e gluoni a rotazione estremamente rapida. quark, d'altra parte, hanno una proprietà quantomeccanica chiamata spin, che è analogo a una rotazione attorno a un asse."
Il grande momento angolare del plasma di quark-gluoni formato nelle collisioni di ioni pesanti può essere, in una certa misura, trasferiti a singoli quark, allineando le loro direzioni di rotazione. Questo effetto quantomeccanico, nota come interazione spin-orbita, si può osservare anche in altri casi, Per esempio, tra gli elettroni, che hanno anche spin e "ruotano" attorno ai nuclei atomici.
"Le interazioni spin-orbita sono state precedentemente studiate utilizzando diversi sistemi in collisione, ma il grande momento angolare del plasma generato nelle collisioni dei nuclei di piombo all'LHC ha offerto un'opportunità unica per cercare questo fondamentale effetto quanto-meccanico in un sistema di quark deconfinati, "Andrea Dainese, coordinatore di fisica per l'esperimento ALICE, ha detto a Phys.org.
L'allineamento di spin dei mesoni (spin-1) K*0 (cerchi rossi) può essere caratterizzato da deviazioni da ρ00 =1/3, che è qui stimato rispetto ai loro momenti trasversali, pT. La stessa variabile è stata stimata per (spin-0) mesoni KS 0 (stelle magenta), e K*0 mesoni prodotti in collisioni protone-protone con momento angolare trascurabile (cerchi arancioni vuoti), come test sistematici. Credito:Collaborazione ALICE / Corriere del CERN.
Secondo previsioni teoriche, l'interazione spin-orbita nel plasma di quark-gluoni dovrebbe allineare lo spin dei quark, che hanno un numero quantico di spin di 1/2. I quark dal plasma dovrebbero quindi legarsi a coppie per formare mesoni con spin 0 (cioè, mesoni scalari), in cui i due quark hanno orientamento di spin opposto, o spin 1 (cioè, mesoni vettoriali), in cui i due quark hanno lo stesso orientamento di spin.
Le previsioni suggeriscono che l'allineamento degli spin dei quark risulterebbe quindi in un allineamento degli spin dei mesoni vettoriali. La Collaborazione ALICE ha osservato questo effetto, raccogliendo le prime prove dell'allineamento di spin nei prodotti di decadimento dei cosiddetti mesoni vettoriali neutri K* e φ (phi).
"Abbiamo studiato questo allineamento di spin misurando la distribuzione angolare dei prodotti di decadimento dei mesoni vettori, " ha spiegato Musa. "Il segnale più forte è stato visto per i mesoni K* e la conferma che il segnale è indotto dall'allineamento di spin è stata ottenuta per mezzo della mancanza di un segnale simile per i mesoni K neutri, che hanno spin 0. Le attuali misurazioni sono un passo avanti verso la determinazione sperimentale di interazioni spin-orbita nella materia relativistica-QCD del plasma di quark-gluoni."
La collaborazione ALICE è il primo gruppo di ricerca a pubblicare prove che si allineano con le previsioni teoriche di un grande allineamento di spin dei mesoni vettoriali nelle collisioni di nuclei pesanti. Le loro misurazioni sono un risultato significativo nello studio del plasma di quark-gluoni, poiché supportano la previsione che questo plasma possiede una vorticità iniziale con un momento angolare senza precedenti, che porta all'allineamento di spin del quark tramite interazioni spin-orbita. Il loro lavoro offre approfondimenti significativi che potrebbero informare gli studi futuri che investigano le proprietà del plasma di quark e gluoni.
Il rilevatore ALICE è attualmente sottoposto a un importante aggiornamento, e nel 2022, quando riprenderanno le campagne di raccolta dati LHC del CERN, dovrebbe essere in grado di registrare campioni di collisione Pb-Pb 50 volte più grandi di quelli raccolti fino ad oggi. Questi dati saranno molto più precisi dei dati esistenti e potrebbero quindi portare a nuove affascinanti scoperte sul plasma di quark e gluoni.
"Nuovi studi con il K* caricato, che ha un momento magnetico sette volte maggiore di quello del neutro K*, può anche consentire un'osservazione diretta dell'effetto del campo magnetico molto grande prodotto nel plasma di quark-gluoni dalla rapida rotazione di particelle caricate elettricamente, " Ha detto Dainese. "Si stima che questo campo magnetico sia grande come 10 14 tesla, ma svanisce in un tempo brevissimo 10 -23 secondi! Inoltre, vale anche la pena notare che l'allineamento di spin K* neutro è sorprendentemente grande rispetto alla polarizzazione misurata per gli iperoni . Perciò, saranno molto interessanti ulteriori studi dell'effetto con maggiore precisione, così come di altri effetti che possono riguardare gli stessi meccanismi fisici da diverse angolazioni."
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