Le collisioni di ioni ad alta energia al Large Hadron Collider sono in grado di produrre un plasma di quark e gluoni. Ma i nuclei atomici pesanti sono davvero necessari per la sua formazione? E soprattutto:come nascono poi le particelle secondarie da questo plasma? Ulteriori indizi nella ricerca di risposte a queste domande sono forniti dall'ultima analisi delle collisioni tra protoni e protoni o ioni, osservate nell'esperimento LHCb.

Quando i nuclei atomici pesanti si scontrano alle energie più elevate nell'LHC, viene creato un plasma di quark e gluoni per un momento inimmaginabilmente breve. Si tratta di uno stato esotico della materia in cui quark e gluoni, normalmente intrappolati in protoni o neutroni, non sono più strettamente legati insieme. Questo stato non è permanente:man mano che la temperatura diminuisce, i quark e i gluoni si adronizzano rapidamente, cioè si rilegano tra loro, producendo flussi di particelle secondarie divergenti ad angoli diversi.

I dettagli del processo di adronizzazione, un fenomeno fondamentale per la nostra comprensione dei fondamenti della realtà fisica, rimangono ancora un mistero. Nuovi indizi sono stati forniti dalle analisi appena completate delle collisioni dell'esperimento LHCb, condotte con la partecipazione di fisici dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze (IFJ PAN) di Cracovia.

I risultati sono pubblicati nel Journal of High Energy Physics .

"L'adronizzazione avviene in scale temporali di yottosecondi, cioè trilionesimi di un trilionesimo di secondo, su distanze delle dimensioni di un femtometro, cioè milionesimi di un miliardesimo di metro. I fenomeni che si verificano in modo così estremamente veloce e su scale così microscopiche non saranno direttamente osservabili per un Ci vorrà molto tempo, forse mai," spiega il prof. Marcin Kucharczyk (IFJ PAN), coautore dell'articolo.

"Stiamo quindi cercando di dedurre cosa sta succedendo al plasma di quark e gluoni osservando alcune specifiche correlazioni quantistiche tra le particelle prodotte nelle collisioni. Conduciamo tali analisi da anni, costruendo gradualmente un quadro più accurato del fenomeno come il la quantità di dati elaborati aumenta."

Cosa sono esattamente le correlazioni quantistiche? Nella meccanica quantistica, le particelle vengono descritte utilizzando le funzioni d'onda. Se nel sistema studiato sono presenti molte particelle, le loro funzioni d'onda potrebbero sovrapporsi. Come nelle onde normali, si verificano interferenze. Se di conseguenza le funzioni d'onda vengono soppresse, si parla di correlazioni di Fermi-Dirac, se vengono potenziate di correlazioni di Bose-Einstein. Sono queste ultime correlazioni, caratteristiche di particelle identiche, ad attirare l'attenzione degli scienziati.

I ricercatori hanno concentrato la loro attenzione sulle correlazioni di Bose-Einstein che compaiono tra coppie di pioni, o mesoni pi. Analisi di tipo simile erano già state effettuate su dati di altri rilevatori operanti presso l'acceleratore LHC, ma queste riguardavano solo particelle divergenti ad angoli grandi dal punto di collisione.

Nel frattempo, il design unico del rivelatore LHCb ha permesso ai fisici di osservare per la prima volta le particelle emesse "in avanti", ad angoli deviati dalla direzione del fascio originale di non più di una dozzina di gradi. I risultati ottenuti completano così il quadro del fenomeno costruito dalle misurazioni effettuate negli altri esperimenti all'LHC.

La scelta della direzione “avanti” non è stata l'unica novità. L’analisi è stata effettuata per i cosiddetti sistemi piccoli, cioè per collisioni protone-protone, protone-ione e ione-protone (gli ultimi due casi non sono identici, perché in un caso solo un protone si muove ad alta velocità, mentre nel caso nell'altro caso, il nucleo è costituito da molti protoni e neutroni).

Tra le altre cose, i ricercatori volevano scoprire se i fenomeni collettivi osservati nelle collisioni nucleo-nucleo, associati al plasma di quark e gluoni, potessero comparire anche nelle collisioni di sistemi di particelle più piccoli.

"Abbiamo sottoposto le correlazioni trovate a ulteriori verifiche. Ad esempio, abbiamo testato come dipendano da variabili diverse, come la molteplicità delle particelle cariche. Inoltre, poiché tutte le collisioni sono state registrate con gli stessi rilevatori e nelle stesse condizioni, abbiamo potuto verificare facilmente se le nostre correlazioni cambiano in diverse configurazioni di sistemi di particelle in collisione," afferma il prof. Kucharczyk.

Interessanti le conclusioni delle analisi. Tutte le indicazioni sono che il plasma di quark e gluoni può essere prodotto all'LHC anche in collisioni di singoli protoni. Allo stesso tempo, le sorgenti di emissione di particelle secondarie nelle collisioni protone-protone sembrano essere più piccole che nelle collisioni miste. È stata inoltre osservata un'interessante associazione tra correlazioni e angoli rispetto all'asse del fascio di particelle prodotte nelle collisioni.

"L'osservazione delle correlazioni in piccoli sistemi ha innescato una discussione sulla loro origine. In particolare, è intrigante la questione se abbiano la stessa origine delle collisioni di ioni pesanti e, di conseguenza, quali siano esattamente le condizioni necessarie per produrre un quark -plasma di gluoni? Alcuni modelli attuali di questo plasma presuppongono la presenza di fenomeni collettivi nel plasma, associati ai flussi. I risultati delle nostre analisi sembrano essere più vicini proprio a tali modelli idrodinamici," aggiunge il prof. Kucharczyk.

Solo questo:abbiamo davvero a che fare con flussi di plasma di quark e gluoni durante l'adronizzazione? I modelli teorici del fenomeno attualmente esistenti sono di natura fenomenologica, il che significa che devono essere calibrati con i dati ottenuti dagli esperimenti.

Nonostante ciò, nessuno dei modelli è in grado di riprodurre i risultati delle misurazioni con una precisione soddisfacente. Sembra quindi che ci sia ancora molto lavoro da fare per i fisici prima che la vera natura dei processi del plasma di quark e gluoni sia conosciuta.

Ulteriori informazioni: Aaij, R et al, Studio delle correlazioni di Bose-Einstein dei pioni dello stesso segno nelle collisioni protone-piombo, Journal of High Energy Physics (2023). DOI:10.1007/JHEP09(2023)172

Fornito dall'Accademia Polacca delle Scienze