Un nuovo risultato della collaborazione ATLAS al CERN studia le interazioni dei fotoni, particelle di luce, con i nuclei di piombo al Large Hadron Collider (LHC). Utilizzando nuove tecniche di raccolta dati, i fisici hanno rivelato un'inaspettata somiglianza con le firme sperimentali del plasma di quark-gluoni.

Quando in funzione, l'LHC dedica circa un mese all'anno alla collisione dei nuclei di piombo. Questa configurazione offre ai fisici l'opportunità di studiare il plasma di quark-gluoni (QGP), una fase di materia intensamente calda e densa che si crea quando i nuclei si scontrano frontalmente. Queste condizioni estreme imitano quelle dell'Universo primordiale durante i primi microsecondi dopo il Big Bang. Il QGP è ben compreso dai fisici:si evolve come un fluido quasi perfetto, preservare fedelmente la forma geometrica impressa alla sua formazione in una serie di modelli nella distribuzione del momento delle particelle alla fine della sua evoluzione.

Ma cosa succede quando due nuclei di piombo in arrivo si mancano a malapena l'un l'altro? Il nucleo di piombo, completamente spogliato dei suoi soliti elettroni circostanti, contiene una grande carica elettrica che può indurre una varietà di processi interessanti. L'intenso campo elettromagnetico di ogni nucleo può essere pensato come equivalente a un flusso di fotoni con grandi energie. Questi fotoni possono interagire con i fotoni in arrivo dall'altro nucleo portando a, Per esempio, processi di diffusione luce per luce. Inoltre, un fotone ad alta energia può anche colpire direttamente l'altro nucleo, portando a un'esotica collisione "fotonucleare".

Durante la corsa di piombo del 2018 dell'LHC, I fisici di ATLAS si sono concentrati sulle proprietà uniche degli eventi fotonucleari per raccogliere un ampio campione da studiare. Poiché il nucleo di piombo partecipante ha un momento che è decine di volte maggiore di quello del fotone, i prodotti di queste collisioni sono "potenziati" (spostati) in direzione del nucleo di piombo. La visualizzazione degli eventi sopra mostra la distribuzione asimmetrica delle particelle che risulta in questa situazione. Questa caratteristica, Il modello asimmetrico consente agli scienziati di vagliare in modo efficiente i miliardi di normali collisioni piombo-piombo simmetriche e trovare i rari eventi fotonucleari.

In una recente pubblicazione, I fisici di ATLAS sono rimasti sorpresi nel vedere che alcune delle collisioni fotonucleari più energiche hanno mostrato prove di creare lo stesso QGP caldo e denso osservato nelle collisioni frontali piombo-piombo! Nello specifico, le particelle hanno mostrato un'anisotropia del momento azimutale (v2) nel piano trasversale. Questa firma è tradizionalmente interpretata come prova della formazione di QGP, poiché deriva da gradienti di pressione che sono più grandi lungo un asse del QGP rispetto a un altro. La Figura 1 mostra che i valori v2 negli eventi fotonucleari sono paragonabili a quelli nelle collisioni protone-protone e protone-piombo. Questi dati offrono un suggerimento allettante che il plasma di quark-gluoni possa formarsi anche in questi esotici, piccoli sistemi di collisione.

La maggior parte dei modelli teorici di queste anisotropie del momento si basano sul fatto che i corpi in collisione siano fatti di quark e gluoni. ingenuamente, è sorprendente trovare tali effetti in un sistema in cui una delle particelle in collisione è un semplice, fotone senza struttura! Però, a energie abbastanza grandi, la funzione d'onda del fotone è una sovrapposizione di molti stati, inclusi alcuni che sono adroni (particelle composte da quark e gluoni). Così, queste misurazioni forniscono un sistema di collisione con una struttura iniziale molto diversa da quelle tradizionalmente utilizzate per studiare il plasma di quark-gluoni e servono come test sia per gli sperimentali che per i teorici.