⚛️ nuclear experiments

Centrality dependence of charged-particle pseudorapidity density at midrapidity in Pb-Pb collisions at $\mathbf{\sqrt{\textit{s}_{\rm NN}} = 5.36}$ TeV

La Colaboración ALICE presenta sus primeras mediciones del Run 3 de la densidad de pseudorrapidez de partículas cargadas en la rapidez intermedia en colisiones Pb-Pb a $\sqrt{s_{\mathrm{NN}}}=5.36$ TeV, utilizando detectores mejorados para establecer una línea base dependiente de la centralidad que se alinea con tendencias previas y se compara con diversos modelos teóricos de producción de partículas.

Autores originales: ALICE Collaboration

Publicado 2026-09-23

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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 el corazón de la materia, donde los átomos son despojados de sus capas y los protones y neutrones se ven obligados a colisionar, yace un estado de existencia que no se había visto desde los primeros momentos del universo. Cuando núcleos atómicos pesados chocan entre sí a velocidades que se aproximan a la velocidad de la luz, crean una gota diminuta y fugaz de fluido supercaliente conocida como plasma de quarks y gluones. En este entorno extremo, los componentes fundamentales de la materia, que normalmente están fuertemente encerrados dentro de los protones y neutrones, se derriten y vagan libres. Los físicos estudian estas colisiones para comprender cómo el universo se enfrió y formó la estructura que vemos hoy. Para ello, necesitan contar las partículas que salen disparadas del choque. El número de partículas producidas les indica cuánta energía se concentró en la colisión y cómo se comportó la materia en esos primeros instantes. Es una forma de medir el tamaño y la forma de la bola de fuego creada por el impacto.

Un equipo de científicos que trabaja con el detector ALICE en el Gran Colisionador de Hadrones ha analizado ahora de nuevo estas colisiones utilizando una máquina recientemente actualizada. Chocaron núcleos de plomo a un nivel de energía récord, creando un sistema tan denso que requirió una revisión completa de la capacidad del detector para seguir el ritmo. Los investigadores se centraron en contar las partículas cargadas que emergieron del centro del choque. Al analizar miles de millones de estos eventos, mapearon exactamente cuántas partículas se producen dependiendo de qué tan frontal fue la colisión. Su trabajo confirma que las reglas que gobiernan estas diminutas explosiones se mantienen constantes incluso a estas nuevas energías más altas, revelando al mismo tiempo que la cantidad de materia creada crece más rápido en estos choques pesados que en las colisiones entre protones individuales.

El experimento tuvo lugar en 2023, cuando el Gran Colisionador de Hadrones funcionaba con iones de plomo a una energía de centro de masa por par de nucleones de 5,36 teraelectrónvoltios. Esta es la energía más alta jamás alcanzada para tales colisiones de iones pesados. Para capturar los datos, el equipo de ALICE se apoyó en dos actualizaciones importantes instaladas durante un largo periodo de inactividad del acelerador. La primera fue un nuevo sistema de seguimiento interno compuesto por capas de sensores de silicio altamente sensibles, y la segunda fue una revisión importante de la gran cámara de proyección temporal, que actúa como una gigantesca cámara 3D para las partículas. A diferencia de las ejecuciones anteriores, donde el detector esperaba una señal para empezar a grabar, el nuevo sistema opera en un modo continuo, leyendo datos sin interrupción. Esto fue necesario porque las colisiones ocurrían con tanta frecuencia que el detector habría perdido la mayoría de ellas si tuviera que pausar entre eventos. El equipo tuvo que desarrollar un nuevo software para filtrar el flujo continuo de información y asociar cada trayectoria de partícula con el vértice de colisión correcto.

Los investigadores analizaron una muestra de 1.100 millones de colisiones de sesgo mínimo (minimum-bias), que incluye todo tipo de impactos, desde golpes de raspadura hasta impactos directos. Clasificaron estos eventos en diez grupos basados en qué tan central fue la colusion, utilizando señales de detectores frontales para estimar cuántos nucleones de los dos núcleos de plomo interactuaron realmente. Para las colisiones más centrales, donde los núcleos chocan casi de lleno en el centro, el equipo encontró que el número promedio de partículas cargadas producidas en el centro de la colisión fue de 2.010, con un pequeño margen de error. A medida que las colisiones se volvían más periféricas, o de raspadura, el número de partículas disminuyó significamente, hasta aproximadamente 21,5 para los impactos más superficiales. Esta variación permitió a los científicos estudiar cómo la geometría de la colisión influye en la producción de materia.

Para dar sentido a estos números, el equipo comparó el recuento de partículas con el número de nucleones participantes, que representa el número total de protones y neutrones que participaron en el choque. Descubrieron que cuando normalizaron los datos dividiendo el recuento de partículas por el número de pares de nucleones participantes, el resultado fue 10,5 para las colisiones más centrales. Este valor es aproximadamente un 4 por ciento superior a lo medido en colisiones similares a una energía ligeramente inferior de 5,02 teraelectrónvoltios. Este incremento sigue una tendencia predecible observada en experimentos previos a energías más bajas, confirmando que la producción de partículas en colisiones de iones pesados escala con la energía de una manera específica. La tasa a la que la producción de partículas aumenta con la energía es más rápida en estas colisiones pesadas de plomo que en las colisiones entre protones individuales, lo que sugiere que el comportamiento colectivo de los muchos nucleones desempeña un papel crucial.

El artículo también puso a prueba varios modelos teóricos que intentan describir cómo se forman estas partículas. Algunos modelos asumen que la materia forma un fluido que se expande y se enfría de acuerdo con las leyes de la hidrodinámica, mientras que otros tratan la colisión como una serie de interacciones individuales entre nucleones sin ningún comportamiento de fluido colectivo. Los datos mostraron que, si bien algunos de estos modelos podían capturar la forma general de los resultados, todos subestimaban sistemáticamente el número real de partículas producidas en todo el rango de centralidad de la colisión. Un modelo que incluyó una simulación de cómo interactúan las partículas después del choque inicial se acercó más a describir los datos para las colisiones más centrales, pero ningún modelo único logró reproducir los resultados para todos los tipos de colisión. Esto indica que nuestra comprensión actual de los mecanismos que impulsan la producción de partículas en estas condiciones extremas es aún incompleta.

Los hallazgos sirven como una validación importante del detector ALICE actualizado y de sus nuevas capacidades de lectura continua. La capacidad de reconstruir miles de millones de eventos con alta precisión demuestra que el nuevo marco de hardware y software puede manejar las condiciones extremas de la actual fase de funcionamiento del Gran Colisionador de Hadrones. Al proporcionar una medición precisa de la producción de partículas a la energía más alta alcanzada hasta la fecha, el estudio establece un nuevo punto de referencia para futuras investigaciones. Confirma que las tendencias fundamentales observadas en el plasma de quarks y gluones son robustas, incluso a medida que aumenta la energía de las colisiones, y destaca la necesidad de herramientas teóricas más sofisticadas para explicar completamente la compleja dinámica de estas explosiones subatómicas.

Resumen Técnico: Dependencia de la centralidad de la densidad de pseudorapidez de partículas cargadas en el rapidez intermedio en colisiones Pb–Pb a $\sqrt{s_{NN}} = 5.36$ TeV

Problema y Contexto
La multiplicidad de partículas producidas en colisiones de iones pesados de alta energía sirve como un observable primario para caracterizar la geometría del sistema, restringir los mecanismos de producción de partículas y estimar la densidad de energía inicial. Si bien mediciones previas establecieron tendencias a energías más bajas (por ejemplo, $\sqrt{s_{NN}} = 2.76$ y $5.02$ TeV), el LHC entró en la Fase 3 (Run 3) con detectores mejorados capaces de operar a tasas de interacción significativamente más altas. Este artículo aborda la necesidad de las primeras mediciones de la densidad de pseudorapidez de partículas cargadas ( $dN_{ch}/d\eta$ ) en colisiones Pb–Pb a la nueva energía de la Fase 3 del LHC de $\sqrt{s_{NN}} = 5.36$ TeV. Además, tiene como objetivo validar el rendimiento del aparato ALICE mejorado y su nueva estrategia de lectura continua bajo estas condiciones de alta tasa.

Metodología
El análisis utiliza un conjunto de datos de $1.1 \times 10^9$ colisiones Pb–Pb de sesgo mínimo (minimum-bias) registradas por el experimento ALICE en 2023, lo que corresponde a una luminosidad integrada de aproximadamente $130 \, \mu\text{b}^{-1}$ antes de la selección de eventos. Tras aplicar los criterios de selección de eventos, la muestra final analizada consiste en aproximadamente $0.2 \times 10^9$ eventos. El estudio emplea los componentes mejorados del detector ALICE:

Sistema de Rastreo Interno (ITS2): Siete capas de sensores de píxeles activos monolíticos (MAPS) que proporcionan una resolución de puntería mejorada.
Cámara de Proyección Temporal (TPC): Mejorada con láminas de Multiplicación de Electrones por Gas (GEM) para gestionar el flujo inverso de iones en modo de lectura continua.
Disparador de Interacción Rápida (FIT): Específicamente el detector FT0, utilizado para la selección de eventos, la determinación del tiempo de colisión y la estimación de la centralidad.

Procesamiento de Datos y Reconstrucción:
Debido al modo de lectura continua, donde un único fotograma contiene múltiples colisiones (un promedio de cinco eventos Pb–Pb por periodo de deriva de la TPC), el análisis implementa una nueva estrategia de reconstrucción. Los rastros se asocian con los vértices de colisión utilizando marcas de tiempo relativas a las señales del FIT. La ambigüedad rastro-vértice es despreciable (nivel sub-porcentual) para los datos seleccionados.

Selección de Eventos: Se seleccionan eventos de sesgo mínimo basados en los impactos de FT0A y FT0C. Los eventos se restringen a una posición de vértice longitudinal dentro de 10 cm del punto de interacción.
Determinación de la Centralidad: Las clases de centralidad se definen utilizando las amplitudes de las señales en el detector FT0C. Estas amplitudes se ajustan mediante un modelo Glauber acoplado con un modelo de dos componentes (que involucra nucleones participantes $N_{part}$ y colisiones binarias $N_{coll}$ ) y una Distribución Binomial Negativa (NBD) para las fuentes de producción de partículas.
Selección de Rastros: El análisis utiliza "rastros globales" (combinando impactos de ITS y TPC) y "rastros solo de ITS". Los rastros solo de TPC se excluyen debido a su menor resolución de puntería.
Correcciones: La densidad de pseudorapidez bruta se corrige por aceptación del detector, eficiencia de reconstrucción y fondos de partículas secundarias. Se aplica una corrección específica para sustraer la contaminación de decaimientos débiles de partículas extrañas de vida larga ( $K^0_S$ , $\Lambda$ , $\bar{\Lambda}$ ), utilizando un Factor de Realce de Extrañeza (SEF) de 1.1 derivado de comparaciones entre datos y simulaciones. También se aplican correcciones por pérdida de eventos y de señal.

Resultos Clave
El artículo presenta la densidad de pseudorapidez de partículas cargadas ( $dN_{ch}/d\eta$ ) como función de la pseudorapidez ( $\eta$ ) y la centralidad (0–90%).

Densidad en el Rapidez Intermedio: Para las colisiones más centrales (0–5%), la densidad promedio de partículas cargadas en el rapidez intermedio ( $|\eta| < 0.5$ ) se mide en $\langle dN_{ch}/d\eta \rangle = 2010 \pm 53$ (incertidumbre sistemática). Para la clase periférica (80–90%), el valor es $21.5 \pm 2.7$ .
Normalización: Al normalizar respecto al número promedio de pares de nucleones participantes ( $\langle N_{part} \rangle / 2$ ), el valor para la clase de centralidad 0–5% es $10.5 \pm 0.3$ .
Dependencia de la Energía: La multiplicidad normalizada sigue una dependencia de ley de potencia con $\sqrt{s_{NN}}$ ( $s_{NN}^\beta$ ) con $\beta = 0.155 \pm 0.003$ . Este valor es consistente con las mediciones previas de ALICE a $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV y confirma la tendencia establecida por los datos de menor energía de RHIC, SPS y ejecuciones previas del LHC. El exponente $\beta$ es significativamente mayor que el observado en colisiones protón-protón inelásticas ( $\beta \approx 0.102$ ), lo que indica un aumento más rápido de la multiplicidad con la energía en colisiones de iones pesados centrales.
Dependencia de la Centralidad: La multiplicidad normalizada $(2/\langle N_{part} \rangle)\langle dN_{ch}/d\eta \rangle$ disminuye por un factor de aproximadamente 1.75 desde colisiones centrales hacia colisiones periféricas.
Comparación con Modelos: Los datos se comparan con varios modelos teóricos, incluyendo HYDJET++, PYTHIA 8.3/Angantyr, IP-Glasma y McDIPPER. Aunque los modelos de estado inicial y PYTHIA 8.3/Angantyr capturan la forma cualitativa de la dependencia de la centralidad, subestiman sistemáticamente la magnitud de los datos en todo el rango de centralidad. El modelo McDIPPER con simulación de cascada hadrónica proporciona una descripción razonable para colisiones centrales, pero no logra reproducir la dependencia de la centralidad completa.

Significación y Reivindicaciones
El artículo afirma que este trabajo representa un hito importante al demostrar la capacidad del detector ALICE mejorado y su nuevo marco de software online-offline (O2) para analizar datos de alta tasa de interacción en modo de lectura continua. Los resultados proporcionan la primera caracterización de la producción de partículas a la mayor energía del LHC hasta la fecha. El autor enfatiza que las mediciones sirven como una referencia crucial para análisis posteriores de la Fase 3 y ofrecen restricciones estrictas para los modelos teóricos de producción de partículas en colisiones nucleares, particularmente aquellas que involucran la formación de plasma de quarks y gluones. El artículo concluye modestamente que, si bien los datos confirman las tendencias establecidas, ninguno de los modelos teóricos considerados reproduce cuantitativamente los datos en todo el rango de centralidad, lo que resalta la necesidad de un mayor desarrollo teórico.

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