I fisici nucleari che studiano le collisioni di particelle presso il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), una struttura utente del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti presso il Brookhaven National Laboratory del DOE, hanno nuove prove che le particelle chiamate gluoni raggiungono uno stato di "saturazione" costante all'interno degli ioni accelerati. L'evidenza è la soppressione di coppie di particelle back-to-back che emergono dalle collisioni tra protoni e ioni più pesanti (i nuclei degli atomi), come tracciato dal rivelatore STAR di RHIC. In un articolo appena pubblicato in Lettere di revisione fisica , la collaborazione STAR mostra che più grande è il nucleo con cui si scontra il protone, maggiore è la soppressione in questa segnatura di chiave, come previsto dai modelli teorici di saturazione del gluone.

"Abbiamo variato le specie del fascio di ioni in collisione perché i teorici avevano previsto che questo segno di saturazione sarebbe stato più facile da osservare nei nuclei più pesanti", ha spiegato il fisico del Brookhaven Lab Xiaoxuan Chu, un membro della collaborazione STAR che ha condotto l'analisi. "La cosa buona è che RHIC, il collisore più flessibile al mondo, può accelerare diverse specie di fasci ionici. Nella nostra analisi, abbiamo utilizzato collisioni di protoni con altri protoni, alluminio e oro".

La saturazione dovrebbe essere più facile da vedere nell'alluminio e ancora più facile nell'oro, rispetto ai protoni più semplici, ha spiegato Chu, perché questi nuclei più grandi hanno più protoni e neutroni, ciascuno composto da quark e gluoni.

Precedenti esperimenti hanno dimostrato che quando gli ioni vengono accelerati ad alte energie, i gluoni si dividono, uno in due, per moltiplicarsi a numeri molto alti. Ma gli scienziati sospettano che la moltiplicazione dei gluoni non possa continuare per sempre. Invece, nei nuclei che si muovono vicino alla velocità della luce, dove il movimento relativistico appiattisce i nuclei in veloci "frittelle" di gluoni, i gluoni sovrapposti dovrebbero iniziare a ricombinarsi.

"Se la velocità di due gluoni che si ricombinano in uno bilancia la velocità di scissione dei singoli gluoni, la densità del gluone raggiunge uno stato stazionario, o plateau, in cui non sale o scende. Questa è la saturazione", ha detto Chu. "Poiché ci sono più gluoni e più gluoni sovrapposti nei nuclei più grandi, questi ioni più grandi dovrebbero mostrare segni di ricombinazione e saturazione più facilmente di quelli più piccoli", ha aggiunto.

Scansione per coppie back-to-back

Per cercare quei segni, gli scienziati di STAR hanno scansionato i dati raccolti nel 2015 per le collisioni in cui una coppia di particelle "pi zero" ha colpito lo spettrometro del mesone anteriore di STAR in una configurazione back-to-back. In questo caso, back-to-back significa 180 gradi l'uno dall'altro attorno a un bersaglio circolare all'estremità del rivelatore nella direzione in avanti del fascio di protoni sonda. Queste collisioni selezionano le interazioni tra un singolo quark ad alta energia dal protone sonda con un singolo gluone a bassa quantità di moto nello ione bersaglio (protone, alluminio o oro).

"Usiamo il quark del protone come uno strumento, o una sonda, per studiare il gluone all'interno dell'altro ione", ha detto Chu.

Il team era particolarmente interessato ai gluoni della "frazione di quantità di moto bassa", la moltitudine di gluoni che trasportano ciascuno una piccola frazione della quantità di moto complessiva del nucleo. Esperimenti all'acceleratore HERA in Germania (1992–2007) hanno dimostrato che, ad alta energia, i protoni e tutti i nuclei sono dominati da questi gluoni a bassa frazione di moto.

Nelle collisioni protone-protone, le interazioni quark-gluone sono molto semplici, ha spiegato Chu. "Le due particelle - quark e gluone - si colpiscono a vicenda e generano due particelle pi zero una dopo l'altra", ha detto.

Ma quando un quark del protone colpisce un gluone in un nucleo appiattito più grande, dove molti gluoni si sovrappongono, le interazioni possono essere più complesse. Il quark, o il gluone colpito, potrebbe colpire più gluoni aggiuntivi. Oppure il gluone potrebbe ricombinarsi con un altro gluone, perdendo tutta la "memoria" della sua tendenza originaria ad emettere un pi zero.

Entrambi i processi - scattering multiplo e ricombinazione di gluoni - dovrebbero "imbrattare" il segnale pi zero back-to-back, ha spiegato Elke Aschenauer, leader del gruppo sperimentale "Cold QCD" di Brookhaven Lab, che esplora i dettagli della cromodinamica quantistica (QCD), il teoria che governa le interazioni di quark e gluoni in protoni e nuclei.

"Quindi, le collisioni protone-protone ci danno una linea di base", ha detto Chu. "In queste collisioni non abbiamo saturazione perché non ci sono abbastanza gluoni e non ci sono abbastanza sovrapposizioni. Per cercare la saturazione, confrontiamo l'osservabile della correlazione a due particelle tra i tre sistemi di collisione."

I risultati corrispondono alla previsione della teoria

I risultati sono emersi proprio come previsto dalle teorie, con i fisici che hanno osservato il minor numero di particelle correlate back-to-back che colpiscono il rivelatore nelle collisioni protone-oro, un livello intermedio nelle collisioni protone-alluminio e la correlazione più alta nel protone di base -collisioni di protoni.

La soppressione della correlazione pi zero nei nuclei più grandi e il fatto che la soppressione diventa più forte quanto più grande diventa il nucleo, sono una chiara prova, affermano gli scienziati, della ricombinazione del gluone necessaria per raggiungere la saturazione del gluone.

"STAR seguirà queste misurazioni raccogliendo dati aggiuntivi nel 2024 utilizzando componenti del rivelatore anteriore recentemente aggiornati, tracciando altri osservabili che dovrebbero anche essere sensibili alla saturazione", ha spiegato il fisico del Brookhaven Lab Akio Ogawa, un membro della collaborazione STAR e un attore chiave in costruire i nuovi sistemi di rilevamento STAR anteriori.

Insieme, i risultati dell'RHIC costituiranno anche una base importante per misurazioni molto simili presso il futuro Electron-Ion Collider (EIC), costruito a Brookhaven per far collidere gli elettroni con gli ioni.

Secondo Aschenauer, uno dei fisici che espone i piani per la ricerca in quella struttura, "Se lo misuriamo ora a RHIC, a un'energia di collisione di 200 miliardi di elettronvolt (GeV), che è molto simile all'energia di collisione, lo faremo arrivare all'EIC. Ciò significa che possiamo utilizzare lo stesso osservabile all'EIC per verificare se la ricombinazione e la saturazione sono proprietà universali dei nuclei, come previsto dai modelli di saturazione."

Vedere lo stesso risultato in entrambe le strutture "dimostrerebbe che queste proprietà non dipendono dalla struttura e dal tipo della sonda che utilizziamo per studiarle", ha affermato. + Esplora ulteriormente

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