⚛️ nuclear experiments

Multiplicity dependence of the size of the common hadron emission source in pp collisions at the LHC

Este artículo presenta un análisis femtoscópico de las correlaciones protón-protón en colisiones $pp$ de ancho de banda mínimo (minimum bias) a $\sqrt{s}=13.6$ TeV utilizando un conjunto de datos de alta luminosidad de ALICE, lo que permite la primera medición simultánea de la dependencia del tamaño de la fuente emisora de hadrones con respecto a la multiplicidad y la masa transversal, revelando una tendencia de multiplicidad distinta en comparación con las colisiones Pb-Pb y demostrando la robustez de los resultados a través de varios modelos de interacción nucleón-nucleón.

Autores originales: ALICE Collaboration

Publicado 2026-06-29

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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

Imagina dos autos diminutos y de alta velocidad chocando entre sí en una habitación oscura. Cuando se estrellan, no solo se rompen; lanzan una lluvia de canicas más pequeñas e invisibles (partículas). Los físicos quieren saber: ¿Qué tan cerca estaban estas canicas cuando nacieron por primera vez?

Este artículo de la colaboración ALICE en el CERN es como una historia de detectives de alta tecnología que intenta responder a esa pregunta. Están estudiando "colisiones pp", que son choques frontales entre dos protones (los bloques de construcción de los átomos) en el Gran Colisionador de Hadrones.

Aquí está el desgón de lo que hicieron y encontraron, utilizando analogías sencillas:

1. La cámara "Femto-Escopio"

Los científicos utilizan una técnica llamada femtotoscopia. Piensa en esto como una cámara superpotente que no toma fotos del choque en sí, sino que observa los ecos del choque.

Cuando dos partículas nacen muy cerca una de la otra, se "comunican" a través de fuerzas invisibles (como imanes o la gravedad, pero mucho más fuertes y extrañas). Al medir con qué frecuencia estas partículas llegan al detector juntas frente a separadas, los científicos pueden trabajar hacia atrás para determinar el tamaño de la "sala de nacimiento" donde fueron creadas. Es como escuchar a dos personas gritar en una cueva; por la forma en que sus voces resuenan, puedes adivinar qué tan grande es la cueva.

2. El nuevo conjunto de datos de "Alta Definición"

En el pasado, el detector ALICE era como una cámara con una velocidad de obturación lenta. Solo podía tomar unas pocas instantáneas de estos choques.

La mejora: En 2022, el detector recibió una mejora masiva. Cambió a una "lectura continua", lo que significa que ahora puede registrar un flujo constante de datos, como una cámara de video de alta definición en lugar de una cámara de obturación lenta.
El resultado: Recopilaron una enorme cantidad de datos (19.3 pb⁻¹ de "luminosidad integrada", que es solo una forma elegante de decir "muchos datos de choques"). Esto les permitió observar los choques con un detalle mucho más fino que nunca.

3. Los dos descubrimientos principales

A. El efecto de "Habitación Atestada" vs. "Habitación Vacía" (Multiplicidad)
Los científicos observaron choques que producen diferentes cantidades de partículas.

Alta multiplicidad: Imagina un choque que rocía una gran multitud de partículas (una "habitación atestada").
Baja multiplicidad: Imagina un choque que solo rocía unas pocas partículas (una "habitación vacía").

El hallazgo: Descubrieron que en las "habitaciones atestadas", las partículas nacen más alejadas entre sí. En las "habitaciones vacías", nacen mucho más cerca una de otra. Esto tiene sentido intuitivamente: si tienes más cosas explotando, la "habitación" necesita ser más grande para contenerlo todo. Sin embargo, el artículo señala que la relación entre el tamaño de la multitud y el tamaño de la habitación es diferente en estos diminutos choques de protones en comparación con las colisiones masivas de átomos pesados (como los choques de Plomo-Plomo).

B. El efecto de "Pesado vs. Ligero" (Masa Transversa)
También observaron qué tan "pesadas" eran los pares de partículas en movimiento.

El hallazgo: Cuanto más pesados son los pares de partículas (en términos de su energía y masa combinadas), más pequeña parece ser la "sala de nacimiento". Es como si las partículas más pesadas estuvieran comprimidas en un espacio más estrecho.

4. Verificando el "Libro de Reglas" (Modelos de Interacción)

Para determinar el tamaño de la habitación, los científicos tuvieron que usar un "libro de reglas" teórico para entender cómo los protones se empujan y se atraen entre sí. Existen varios libros de reglas (modelos) diferentes que los físicos utilizan.

La prueba: Pasaron sus datos por varios libros de reglas de vanguardia y de última generación.
El resultado: Sin importar qué libro de reglas usaran, obtuvieron la misma respuesta sobre el tamaño de la habitación. Esto demuestra que su medición es robusta. Es como medir una mesa con una regla, una cinta métrica y un láser; si todos dicen que la mesa mide 2 metros de largo, puedes estar muy seguro de ese número.

5. El panorama general: ¿Por qué comparar con choques pesados?

El artículo compara estos pequeños choques de protones con los choques masivos de núcleos de Plomo (Pb-Pb).

La analogía: Imagina comparar la explosión de una cocina pequeña (protón-protón) con la explosión de un almacén masivo (Plomo-Plomo).
La sorpresa: En las explosiones de almacenes, el tamaño de la explosión crece de manera muy predecible con la cantidad de escombros. En las explosiones de cocinas, el tamaño crece, pero la tasa a la que crece es diferente.
La implicación: Esta diferencia sugiere que la física que gobierna estos diminutos choques de protones podría ser más compleja que una simple "explosión". Insinúa que incluso en estos sistemas diminutos, podría haber algún comportamiento colectivo (como un fluido fluyendo) que aún no comprendemos del todo.

Resumen

Este artículo es un hito porque, por primera vez, el equipo de ALICE pudo observar estos diminutos choques de protones con suficientes datos para ver cómo cambia el tamaño de la "sala de nacimiento" basándose en cuántas partículas se crean y qué tan pesadas son. Demostraron que sus mediciones son sólidas independientemente de los modelos teóricos utilizados, y encontraron que las reglas para estos diminutos choques son ligeramente diferentes de las reglas para los choques masivos de átomos pesados. Esto ayuda a los físicos a refinar su comprensión de cómo se comporta la materia a las escalas más pequeñas.

Resumen Técnico: Dependencia de la Multiplicidad del Tamaño de la Fuente de Emisión de Hadrones Comunes en Colisiones pp en el LHC

Problema y Motivación
El análisis femtoscópico sirve como una herramienta de precisión para estudiar la interacción fuerte entre hadrones, particularmente en colisiones protón-protón (pp) ultra-relativistas donde el pequeño tamaño del sistema (distancias de emisión de $\sim 1.5-2$ fm) potencia la sensibilidad a los componentes de interacción de corto alcance. Aunque estudios previos realizados por la Colaboración ALICE y otros han caracterizado con éxito las fuentes de emisión de partículas mediante correlaciones $\pi$ - $\pi$ , $K$ - $p$ y barión-barión, la comprensión integral de la dependencia del tamaño de la fuente respecto tanto de la masa transversa ( $m_T$ ) como de la multiplicidad de eventos en colisiones pp ha sido limitada.

Las mediciones previas eran principalmente diferenciales en $m_T$ pero integradas sobre la multiplicidad, a menudo restringidas a eventos de alta multiplicidad (densidad promedio de trazas cargadas $\approx 30$ ). El origen del escalamiento observado del tamaño de la fuente con $m_T$ en colisiones pp sigue siendo objeto de debate; no está claro si este comportamiento surge de efectos colectivos (como el flujo radial) u otros mecanismos, ya que los generadores de eventos estándar no logran reproducir cuantitativamente dicho escalamiento. Además, el conocimiento preciso del tamaño de la fuente femtoscópica es un prerrequisito para utilizar la femtoscopia en el estudio de las interacciones fuertes residuales y para los modelos de coalescencia que predicen los rendimientos de (anti)núcleos en interacciones de rayos cósmicos y búsquedas de materia oscura. Este trabajo aborda esta brecha extendiendo las mediciones femtoscópicas al régimen de baja multiplicidad y analizando simultáneamente la dependencia en $m_T$ y en la multiplicidad del evento.

Metodología
El análisis utiliza un conjunto de datos de colisiones pp de multiplicidad mínima (MB) a una energía de centro de masa de $\sqrt{s} = 13.6$ TeV, registrado por el detector ALICE actualizado en 2022 con una luminosidad integrada de $19.3 \text{ pb}^{-1}$ . La actualización del detector permitió la lectura continua, facilitando la recolección de este extenso conjunto de datos.

Selección de Eventos y Clases de Multiplicidad: Los eventos se seleccionaron basándose en señales del Fast Interaction Trigger (FT0) y un vértice primario reconstruido. Los eventos se clasificaron en tres clases de multiplicidad (0–10%, 10–50% y 50–100%) basadas en la amplitud del FT0. El análisis se centró específicamente en eventos que contenían al menos un par (anti)protón–(anti)protón reconstruido, resultando en densidades de partículas cargadas promedio ( $\langle dN_{ch}/d\eta \rangle_{|\eta|<0.5}$ ) de 23.95, 16.72 y 9.73 para las respectivas clases, extendiendo el alcance hacia multiplicidades significativamente menores (hasta $\approx 9.7$ trazas) en comparación con estudios previos.
Identificación de Partículas y Seguimiento: Los protones y antiprotones se identificaron utilizando los detectores Time Projection Chamber (TPC) y Time-Of-Flight (TOF), con un corte de significancia combinada ( $n\sigma_{combined} < 3$ ). Se requirió que las trazas tuvieran un momento transverso ( $p_T$ ) entre 0.5 y 2.2 GeV/c. La selección de partículas primarias se impuso mediante cortes estrictos de Distancia de Aproximación Más Cercana (DCA) al vértice primario, suprimiendo las contribuciones secundarias de decaimientos débiles e interacciones con el material.
Medición de la Función de Correlación: La función de correlación $C(k^*)$ se construyó como la razón entre las distribuciones de pares de mismo evento (SE) y de eventos mezclados (ME), donde $k^*$ es el momento relativo en el sistema de reposo del par. Las incertidumbres sistemáticas se evaluaron variando los criterios de selección (por ejemplo, $p_T$ , calidad de la traza, cortes de PID) y generando 44 conjuntos de variaciones.
Modelado Teórico: Las funciones de correlación se ajustaron utilizando la ecuación de Koonin–Pratt. Se emplearon dos modelos de fuente:
1. Una parametrización de fuente Gaussiana simple.
2. El Modelo de Fuente de Resonancia (RSM), que tiene en cuenta un núcleo Gaussiano primordial ( $r_{core}$ ) y un halo de colas exponenciales derivadas de decaimientos de resonancias de vida corta.
  La interacción fuerte entre protones se modeló utilizando el potencial Norfolk (NV2-II A), realizando comparaciones con los potenciales Argonne v18 y de la teoría de campo efectivo quiral N4LO para evaluar las incertidumbres teóricas. El ajuste incluyó contribuciones de pares de protones genuinos, el decaimiento (feed-down) de $\Lambda$ y $\Sigma^+$ , y partículas mal identificadas, parametrizadas mediante coeficientes $\lambda$ derivados de cálculos de pureza y fracciones de decaimiento basados en datos.

Resultos Clave

Extracción del Tamaño de la Fuente: El radio efectivo de la fuente ( $r_0$ ) y el radio del núcleo ( $r_{core}$ ) se extrajeron para siete intervalos de $m_T$ a través de las tres clases de multiplicidad.
Dependencia de $m_T$ : Se observó una clara dependencia de ley de potencia del tamaño de la fuente con la masa transversa promedio ( $\langle m_T \rangle$ ) para todas las clases de multiplicidad, consistente con mediciones previas de alta multiplicidad. El tamaño de la fuente disminuye a medida que $m_T$ aumenta.
Dependencia de la Multiplicidad: Se estableció una jerarquía en el tamaño de la fuente: los eventos con mayores multiplicidades promedio exhiben radios de fuente más grandes. Esta tendencia se mantiene en todos los intervalos de $m_T$ medidos.
Robustez del Modelo: Los radios extraídos mostraron consistencia entre diferentes modelos de interacción nucleón-nucleón (Argonne v18, Norfolk y N4LO). Se encontró que las diferencias en las funciones de onda a distancias cortas ( $r < 1.2$ fm) entre estos modelos tenían un impacto negligible en la función de correlación y en los radios extraídos, dado que la contribución dominante proviene de separaciones de pares donde las funciones de onda son idénticas.
Comparación con Colisiones Pb–Pb: Al comparar la dependencia de la multiplicidad del tamaño de la fuente en colisiones pp con mediciones recientes en colisiones Pb–Pb a $\sqrt{s} = 5.02$ TeV, se observó una diferencia marcada en la pendiente. Aunque ambos sistemas muestran un escalamiento lineal del radio de la fuente con la raíz cúbica de la multiplicidad de partículas cargadas (sugiriendo un escalamiento de volumen), la pendiente es significativamente más pronunciada en Pb–Pb que en pp.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que este trabajo proporciona la primera medición simultánea del tamaño de la fuente femtoscópica en colisiones pp como una función tanto de la masa transversa como de la multiplicidad del evento, extendiendo el análisis hacia el régimen de baja multiplicidad. Los resultados demuestran la robustez de la medición frente a variaciones en los modelos asumidos de interacción nucleón-nucleón.

Los autores afirman que las diferencias observadas en la dependencia de la multiplicidad entre los sistemas pp y Pb–Pb proporcionan nuevas perspectivas sobre la dependencia del tamaño del sistema en la dinámica de emisión de partículas. La pendiente más pronunciada en las colisiones Pb–Pb en comparación con las pp sugiere una dependencia más fuerte de la multiplicidad en los sistemas de iones pesados, potencialmente vinculada a la formación de un plasma de quarks-gluones (QGP), aunque el artículo señala que actualmente no existe un umbral teórico establecido que vincule este comportamiento directamente con la formación de QGP en colisiones pp.

Los tamaños de fuente medidos proporcionan la entrada necesaria para los modelos de coalescencia utilizados para estimar los rendimientos de (anti)núcleos, los cuales son cruciales para la física de rayos cósmicos y las búsquedas de materia oscura. Además, la naturaleza diferencial de esta medición cierra la brecha entre los estudios femtoscópicos en sistemas pequeños (pp) y grandes (Pb–Pb), ofreciendo restricciones para el modelado teórico futuro de efectos colectivos y mecanismos de producción de partículas.