⚛️ nuclear experiments

Observation of partonic flow in proton-proton and proton-nucleus collisions

Este artículo reporta la primera observación de un agrupamiento distintivo de bariones y mesones en el flujo anisotrópico dentro de colisiones de protón-protón y protón-plomo de alta multiplicidad en el LHC, proporcionando evidencia sólida de la formación de sistemas de flujo partónico consistentes con el plasma de quarks y gluones en estos sistemas de colisión más pequeños.

Autores originales: ALICE Collaboration

Publicado 2026-09-25

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CC BY 4.0

Autores originales: ALICE Collaboration

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

En los primeros momentos tras el Big Bang, el universo no estaba compuesto por los átomos sólidos que construyen nuestro mundo actual. En su lugar, era una sopa supercaliente y agitada de partículas fundamentales llamadas quarks y gluones. Estas partículas, que normalmente se mantienen unidas para formar protones y neutrones, flotaban libremente en un estado de la materia conocido como plasma de quarks y gluones. A medida que el universo se enfriaba, este plasma se congeló en los hadrones que vemos hoy. Para entender cómo ocurrió esta transición, los científicos recrean estas condiciones extremas chocando núcleos atómicos pesados entre sí a casi la velocidad de la luz. Cuando ocurren estas colisiones masivas, crean una gota diminuta y fugaz de este plasma primordial. Al estudiar cómo las partículas salen disparadas de estas colisiones, los investigadores pueden aprender cómo se comporta el plasma, buscando específicamente señales de que las partículas se movieron juntas de una manera coordinada y fluida, en lugar de dispersarse aleatoriamente.

Durante décadas, este movimiento coordinado, o "flujo", solo se observó en colisiones que involucraban iones pesados, donde el gran número de partículas sugería que se había formado una gota grande y de tipo líquido. Sin embargo, en años recientes, los científicos notaron similitudes extrañas en colisiones mucho más pequeñas, como aquellas entre un solo protón y un núcleo de plomo, o incluso entre dos protones. Se esperaba que estos sistemas diminutos no fueran lo suficientemente grandes para formar un fluido. La pregunta era si estas colisiones pequeñas también creaban una diminuta gota de plasma de quarks y gluones, o si los patrones observados eran causados por algo completamente distinto. La colaboración ALICE en el Gran Colisionador de Hadrones ha proporcionado ahora la evidencia más clara hasta la fecha de que, incluso en estas colisiones más pequeñas, se forma un estado de la materia de tipo fluido.

Los investigadores se centraron en eventos de alta multiplicidad, que son colisiones que producen un número sorprendentemente grande de partículas, y los compararon con eventos de baja multiplicidad que producen menos partículas. Analizaron datos de colisiones de protones con núcleos de plomo a una energía de 5.02 tera-electrónvoltios, y colisiones de dos protones a 13 tera-electrónvoltios. Para dar sentido al caos, clasificaron las partículas en dos familias principales: los mesones, que están hechos de un par de quarks, y los bariones, que están hechos de tres quarks. Luego midieron cómo se distribuían estas partículas a medida que se movían hacia afuera desde el punto de colisión. En un fluido que se expande, las partículas más pesadas tienden a moverse de manera diferente que las más ligeras a bajas velocidades, un patrón que el equipo confirmó que podían ver incluso en estas colisiones diminutas.

El descubrimiento más significativo surgió cuando observaron las partículas que se mueven a velocidades intermedias. En este rango, el equipo encontró una separación distintiva entre el comportamiento de los bariones y los mesones. Los bariones mostraron un flujo coordinado más fuerte que los mesones. Este agrupamiento específico es una característica distintiva de un sistema donde las partículas se forman mediante la combinación de quarks en flujo. Imagine una multitud de personas moviéndose en una ola coordinada; si la ola está hecha de individuos, los grupos formados por tres personas moviéndose juntas se comportarán de manera diferente a los grupos de dos. De la misma manera, el hecho de que los bariones de tres quarks y los mesones de dos quarks se dividan en diferentes patrones de flujo sugiere que el flujo ocurrió a nivel de los quarks individuales antes de que se combinaran para formar las partículas que detectamos.

Para confirmar esta interpretación, el equipo comparó sus mediciones con modelos computacionales sofisticados. Un modelo, que incluía la física de un plasma de quarks y gluones en flujo seguido de la combinación de los quarks para formar partículas, reprodujo con éxito los patrones observcidos. Este modelo coincidió con los datos tanto para las colisiones de protón-plomo como para las de protón-protón. En contraste, otros modelos que intentaban explicar los resultados sin una fase fluida, o que dependían de mecanismos diferentes como interacciones de tipo cuerda, no lograron capturar esta separación específica entre bariones y mesones. Estos modelos alternativos no pudieron explicar por qué las partículas de tres quarks fluían más fuertemente que las de dos quarks a estas velocidades.

El estudio también abordó incertidumbres previas sobre cómo medir estos efectos. Los intentos anteriores de encontrar este patrón en sistemas pequeños a menudo se veían confundidos por el "ruido" de interacciones de partículas no relacionadas. El equipo de ALICE utilizó una técnica refinada para filtrar este ruido, asegurando que la señal medida proviniera realmente del movimiento colectivo del sistema. Al separar cuidadosamente el flujo real de los efectos de fondo, pudieron demostrar que el agrupamiento barión-mesón es una característica robusta, que aparece con alta certeza estadística tanto en ambos tipos de colisiones pequeñas.

Este trabajo sugiere que la formación de un plasma de quarks y gluones no se limita a las colisiones masivas de iones pesados. Incluso en las colisiones más pequeñas entre protones, si se empaqueta suficiente energía en un espacio pequeño, una diminuta gota de este fluido primordial puede formarse y expandirse. Los hallazgos indican que la transición de un fluido de quarks libres a la materia sólida es una propiedad fundamental de las colisiones de alta energía, que ocurre independientemente del tamaño de los objetos que colisionan, siempre que las condiciones sean las adecuadas. Los resultados proporcionan un argumento sólido de que las leyes que gobiernan el comportamiento del universo temprano se aplican incluso a las colisiones microscópicas y de alta velocidad que ocurren hoy en el laboratorio.

Resumen Técnico: Observación del Flujo Partónico en Colisiones Protón–Protón y Protón–Núcleo

Problema y Contexto
La cromodinámica cuántica (QCD) predice una transición de fase de la materia hadrónica a un estado desconfinado de quarks y gluones, conocido como el plasma de quarks y gluones (QGP), a densidades de energía elevadas. Este estado se crea tradicionalmente en colisiones de iones pesados ultrarelativistas. Una señal clave de la formación del QGP es el flujo anisotrópico, específicamente la agrupación distintiva de los coeficientes de flujo elíptico ( $v_2$ ) para bariones y mesones en el momento transversal intermedio ( $p_T$ ). En las colisiones de iones pesados, este fenómeno se interpreta como evidencia de la formación de hadrones mediante la coalescencia de quarks desde un medio partónico que fluye colectivamente.

Sin embargo, la observación de características similares al QGP, tales como correlaciones azimutales de largo alcance y $v_2$ dependiente de la masa, en sistemas de colisión más pequeños (protón–núcleo y protón–protón) ha suscitado un debate sobre la formación de un QGP en estos entornos. Mediciones previas en sistemas pequeños han arrojado resultados ambiguos con respecto a la división barión–mesón del $v_2$ . Algunos estudios no lograron observar una agrupación clara, potencialmente debido a las dificultades para separar el flujo colectivo de los efectos de "no flujo" (correlaciones provenientes de decaimientos de resonancias y jets) o al uso de métodos de sustracción que pueden sobreestimar las contribuciones de no flujo. El problema central abordado por este trabajo es determinar si el sistema creado en colisiones de protón–plomo (p–Pb) y protón–protón (pp) de alta multiplicidad (HM) en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) experimenta una fase de partones con flujo hidrodinámico, de manera similar a lo observado en las colisiones de iones pesados.

Metodología
La Colaboración ALICE analizó datos de colisiones pp a $\sqrt{s} = 13$ TeV y colisiones p–Pb a $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV recolectados durante la Fase 2 (2016–2018) del LHC.

Selección de Eventos: Los eventos se categorizaron en clases de alta multiplicidad (HM) y baja multiplicidad (LM). Los eventos HM se seleccionaron basándose en el 0.07% (pp) o el 0–20% (p–Pb) más alto de la distribución de amplitud del detector V0, con un requisito adicional en el número de partículas cargadas reconstruidas ( $N_{ch}$ ) en la rapidez intermedia ( $|\eta| < 0.8$ ) para asegurar multiplicidades medias comparables ( $\langle N_{ch} \rangle \approx 35$ ) entre ambos sistemas.
Identificación de Partículas: Los hadrones identificados incluyeron mesones ( $\pi^\pm, K^\pm, K^0_S$ ) y bariones ( $p+\bar{p}, \Lambda+\bar{\Lambda}$ ). La identificación se logró mediante la pérdida de energía específica ($dE/dx$) en la Cámara de Proyección Temporal (TPC) e información del Tiempo de Vuelo (TOF), empleando un enfoque bayesiano para asegurar una alta pureza.
Medición de Flujo: El coeficiente de flujo elíptico $v_2$ se midió utilizando el método de correlación de dos partículas (2PC). Para suprimir los efectos de no flujo, se impuso una separación de pseudorapidez amplia ( $|\Delta\eta| > 1.1$ ) entre la partícula de disparo (hadrón identificado en la rapidez intermedia) y las partículas de referencia (en regiones de rapidez hacia adelante/atrás).
Supresión de No Flujo: Se empleó un método de ajuste de plantilla (template fit) para extraer la señal de flujo. La función de correlación de los eventos LM, asumida como contenedora principalmente de efectos de no flujo, se utilizó como plantilla para ajustar las funciones de correlación de los eventos HM. Este enfoque redujo las contribuciones residuales de no flujo a aproximadamente un 6% en bajo $p_T$ y a menos del 1% en $p_T$ más altos.
Comparación Teórica: Los resultados se compararon con el modelo híbrido Hydro-Coal-Frag, que combina hidrodinámica viscosa (para bajo $p_T$ ), coalescencia de quarks (para $p_T$ intermedio) y transporte de Boltzmann lineal con fragmentación (para $p_T$ alto). También se consideraron modelos alternativos, incluyendo Hydro-Frag (sin coalescencia), AMPT y variantes de PYTHIA 8.

Resultados Clave

Agrupación Barión–Mesón: En colisiones tanto de p–Pb como de pp de alta multiplicidad, se observa una separación clara en el $v_2$ en el $p_T$ intermedio ( $3.0 < p_T < 8.0$ GeV/c). Los valores de $v_2$ para los bariones ( $p+\bar{p}, \Lambda+\bar{\Lambda}$ ) son significativamente mayores que los de los mesones ( $\pi^\pm, K^\pm, K^0_S$ ) por aproximadamente $5\sigma$ . Dentro de sus respectivas categorías, los bariones y los mesones se agrupan dentro de $1\sigma$ .
Ordenamiento de Masa y Cruce: En bajo $p_T$ ( $p_T < 2.0$ GeV/c), se observa un ordenamiento de masa (las partículas más pesadas tienen un $v_2$ menor), consistente con el flujo radial. Alrededor de $p_T \approx 2.0\text{--}3.0$ GeV/c, las curvas de $v_2$ para diferentes especies de partículas se cruzan, transitando de un ordenamiento de masa al patrón de división barión–mesón.
Similitud de Sistemas: La magnitud y la dependencia de $p_T$ de la agrupación de $v_2$ en sistemas pequeños son cualitativamente similares a las observadas en colisiones de Pb–Pb semicentrales, aunque la magnitud absoluta de $v_2$ es menor en los sistemas más pequeños.
Comparación de Modelos:
- El modelo Hydro-Coal-Frag, que incluye flujo partónico seguido de hadronización mediante coalescencia de quarks, reproduce con éxito la agrupación y la división barión–mesón observada en los datos para colisiones de p–Pb y pp hasta $p_T \approx 6\text{--}8$ GeV/c.
- El modelo Hydro-Frag (sin coalescencia) falla al reproducir la división, subestimando el $v_2$ en el $p_T$ intermedio y mostrando solo un ordenamiento de masa o un ordenamiento inverso.
- Otros modelos, como AMPT (derretimiento de cuerdas) y PYTHIA 8 con string shoving, o bien fallan en generar la división observada o producen coeficientes de flujo negativos inconsistentes con los datos.

Significado y Reivindicaciones
El artículo afirma que la observación de la distintiva agrupación de $v_2$ barión–mesón en colisiones de pp y p–Pb de alta multiplicidad proporciona evidencia de la formación de un sistema con partones que fluyen hidrodinámicamente en estos sistemas de colisión pequeños. Los resultados sugieren que el mecanismo de formación de hadrones mediante la coalescencia de quarks, impulsado por una fase partónica, está activo en sistemas pequeños de alta multiplicidad, de manera similar al QGP formado en colisiones de iones pesados.

El autor enfatiza que las discrepancias previas en las mediciones de sistemas pequeños surgieron de técnicas inadecuadas de sustracción de no flujo. Al utilizar un método de ajuste de plantilla robusto y separaciones amplias de $|\Delta\eta|$ , este análisis aísla la señal de flujo colectivo, revelando un patrón consistente con la colectividad partónica. La descripción exitosa de los datos por parte del modelo Hydro-Coal-Frag, y el fallo de los modelos que carecen de coalescencia de quarks o flujo partónico, respalda la interpretación de que se forma un medio desconfinado y de flujo colectivo incluso en colisiones de protón–protón y protón–núcleo de alta multiplicidad en el LHC.

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