⚛️ nuclear experiments

Quarkonium production in light-ion collisions with the ALICE experiment

Este artículo presenta nuevas mediciones de la producción de charmonio en colisiones de oxígeno-oxígeno y protón-oxígeno recolectadas por el experimento ALICE en el LHC en 2025, utilizando la cobertura de rapidez frontal para probar modelos teóricos de formación de plasma de quarks-gluones y mecanismos de regeneración en sistemas de colisión intermedios.

Autores originales: Rebecca Cerri (on behalf of the ALICE Collaboration)

Publicado 2026-09-25

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CC BY 4.0

Autores originales: Rebecca Cerri (on behalf of the 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 lo más profundo del corazón de la materia, los protones y neutrones no son esferas sólidas e indivisibles. Son ciudades bulliciosas hechas de partículas aún más pequeñas llamadas quarks y gluones, mantenidas unidas por una fuerza tan fuerte que nunca pueden escapar de su confinamiento bajo condiciones normales. Sin embargo, si pudieras estrellar dos átomos pesados entre sí casi a la velocidad de la luz, el calor y la presión se volverían tan intensos que este confinamiento se rompe. Por un instante fugaz, los quarks y gluones se funden en una sopa supercaliente y de flujo libre conocida como plasma de quarks-gluones. Se cree que este estado de la materia existió apenas microsegundos después del Big Bang, antes de que el universo se enfriara lo suficiente como para que las partículas volvieran a unirse. Los físicos están ansiosos por comprender cómo se comporta esta sopa primordial, cómo se forma y cómo se enfría, porque estudiarla revela las reglas fundamentales que gobiernan los componentes básicos de nuestro universo.

Para sondear este estado invisible y fugaz, los científicos buscan mensajeros específicos: partículas pesadas llamadas quarkonia. Estos son pares de quarks pesados y sus gemelos de antimateria que se unen estrechamente. En el calor extremo del plasma de quarks-gluones, se espera que el vínculo entre estos pares se debilite o se rompa por completo, de forma muy similar a cómo un imán pierde su agarre en un fuego abrasador. Al medir cuántos de estos pares sobreviven al viaje a través de la colisión, los investigadores pueden calibrar la temperatura y la densidad del plasma. Durante años, este experimento se ha realizado estrellando los átomos más pesados disponibles, como el plomo, unos contra otros. Pero ha surgido una nueva pregunta: ¿este caldo caliente solo se forma en las colisiones más grandes, o puede aparecer también en choques más pequeños y ligeros?

En 2025, el experimento ALICE en el Gran Colisionador de Hadrones dio un paso significativo para responder a esto, analizando datos de colisiones que involucran átomos más ligeros por primera vez. En lugar de los habituales núcleos de plomo pesados, el equipo colisionó núcleos de oxígeno con otros núcleos de oxígeno, y también estrelló protones contra núcleos de oxígeno. Estos eventos fueron registrados durante un breve periodo de toma de datos de dos días, alcanzando luminosidades integradas registradas de 5.01 nb⁻¹ para colisiones de oxígeno-oxígeno y 7.27 nb⁻¹ para colisiones de protón-oxígeno. Los investigadores centraron su atención en un tipo específico de partícula pesada, el J/psi, que es un par unido de un quark encanto y un anti-quark encanto. Rastrearon con qué frecuencia se producen estas partículas en estos nuevos y más pequeños sistemas de colisión y compararon los resultados con lo que sucede cuando los protones colisionan con otros protones.

Los resultados revelaron una clara diferencia entre los dos tipos de colisiones de iones ligeros. Cuando los protones golpean al oxígeno, la producción de partículas J/psi cae aproximadamente un 30 por ciento a velocidades bajas. Esta reducción se alinea perfectamente con los modelos que consideran los efectos de la "materia nuclear fría", cambios que ocurren simplemente porque los quarks están pasando a través del entorno denso del núcleo de oxígeno antes de que cualquier plasma caliente pueda siquiera formarse. Sin embargo, cuando los núcleos de oxígeno colisionaron con otros núcleos de oxígeno, la supresión fue más fuerte, cayendo aproximadamente un 40 por ciento. Esta pérdida adicional sugiere que algo más que el núcleo frío está en juego. Los datos insinúan que, incluso en estos choques de oxígeno más pequeños, puede estarse formando una diminuta gota de plasma de quarks-gluones caliente, lo suficiente como para romper algunos de los pares de quarks pesados.

Este hallazgo es crucial porque ayuda a mapear el límite de dónde puede existir este estado exótico de la materia. El estudio muestra que, si bien el plasma caliente probablemente juega un papel en las colisiones de oxígeno-oxígeno, no es tan dominante como en las masivas colisiones de plomo-plomo. En las colisiones de plomo más grandes, la supresión de estas partículas es aún más severa, y la física se complica por un proceso donde los pares de quarks rotos se recombinan para formar nuevas partículas. En los sistemas de oxígeno más pequeños, este efecto de recombinación es mucho más débil, probablemente debido a que se crean menos quarks pesados en primer lugar. Los investigadores también observaron que la forma en que las partículas se comportan a diferentes velocidades en estas colisiones ligeras se parece mucho a lo que se ve en las colisiones de protón-plomo, lo que sugiere un patrón consistente a través de diferentes tamaños de choques atómicos.

Aunque estas mediciones son preliminares, proporcionan una pieza vital del rompecabezas. Confirman que la transición de los efectos nucleares simples al comportamiento complejo de un plasma caliente no es un interruptor repentino que solo se activa en las colisiones más grandes. En cambio, parece ser un cambio gradual donde la influencia del medio caliente comienza a emerger incluso en colisiones que involucran átomos más ligeros. Al comparar estos nuevos resultados con los datos existentes de colisiones de plomo y de protones, el equipo ha creado una imagen más completa de cómo el estado de la materia más extremo del universo escala con el tamaño de la colisión. Este trabajo no pretende haber resuelto el misterio del plasma de quarks-gluones, pero ofrece una visión más clara de las condiciones necesarias para crearlo, guiando futuros experimentos hacia una comprensión más profunda de los primeros momentos de nuestro universo.

Resumen Técnico: Producción de Quarkonium en Colisiones de Iones Ligeros con el Experimento ALICE

Problema y Motivación
La producción de quarkonium sirve como una sonda primaria para investigar el Plasma de Quarks y Gluones (QGP), un estado de materia desconfinada formado en colisiones de iones pesados ultra-relativistas. Los quarks pesados ( $c\bar{c}$ y $b\bar{b}$ ) se crean en las colisiones duras iniciales y atraviesan toda la evolución del sistema. En el QGP, se espera que los estados de quarkonium se disocien debido al apantallamiento de color y a las interacciones en el medio. Por el contrario, a energías del LHC, la recombinación de quarks de charm no correlacionados (regeneración) puede contrarrestar la supresión, particularmente a bajo momento transverso ( $p_T \lesssim 5$ GeV/c). Si bien el factor de modificación nuclear ( $R_{AA}$ ) ha sido extensamente estudiado en colisiones protón-protón (pp), protón-plomo (p–Pb) y plomo-plomo (Pb–Pb), los sistemas de colisión intermedios ofrecen un campo de prueba crítico para los modelos teóricos. Específicamente, las colisiones de iones ligeros (como oxígeno-oxígeno y protón-oxígeno) permiten a los investigadores investigar si las modificaciones observadas en sistemas más pequeños surgen predominantemente de efectos de materia nuclear fría (CNM) o si los efectos de materia nuclear caliente (formación de QGP) también desempeñan un papel.

Metodología
Este estudio presenta mediciones preliminares del factor de modificación nuclear del $J/\psi$ en colisiones de oxígeno-oxígeno (OO) y protón-oxígeno (pO) utilizando datos recolectados por el experimento ALICE en julio de 2025.

Muestras de Datos: El análisis utiliza datos de una carrera corta de dos días, que rinde luminosidades integradas de 5.01 nb $^{-1}$ para colisiones OO a $\sqrt{s_{NN}} = 5.36$ TeV y 7.27 nb $^{-1}$ para colisiones pO a $\sqrt{s_{NN}} = 9.62$ TeV.
Configuración del Detector: El análisis se basa en el espectrómetro de muones frontal (MCH) que cubre $-4.0 < \eta < -2.5$ , el Disparador de Interacción Rápida (FIT) para la selección de eventos y la medición de multiplicidad, y el Sistema de Rastreo Interno (ITS) para la determinación del vértice primario.
Selección de Eventos: Los eventos se seleccionan mediante coincidencia en los detectores FIT. Los candidatos a $J/\psi$ se reconstruyen a través de su desintegración en pares de muones de signo opuesto dentro del rango de rapidez $2.5 < y < 4$ . En colisiones pO, la aceptación de laboratorio ( $2.5 < y_{lab} < 4.0$ ) corresponde a un centro de masa de $2.15 < y_{cms} < 3.65$ debido a las energías asimétricas de los haces.
Procedimiento de Análisis: El número de candidatos a $J/\psi$ se extrae ajustando los espectros de masa invariante de dimuones de signo opuesto usando una función Crystal Ball de doble lado para la señal y funciones empíricas para el fondo.
Cálculo de $R_{AA}$ : Los factores de modificación nuclear ( $R_{OO}$ y $R_{pO}$ ) se calculan como la razón de la sección eficaz del $J/\psi$ en el sistema respectivo a la sección eficaz de referencia pp, normalizada por el número de masa ( $A$ o $A^2$ ). La sección eficaz de referencia pp se deriva de una interpolación de mediciones de ALICE previamente publicadas de $\sqrt{s} = 2.76$ a 13 TeV.

Resultos Clave

Colisiones OO: El $R_{OO}$ medido del $J/\psi$ exhibe una supresión de aproximadamente el 40% a bajo $p_T$ , con una dependencia débil de $p_T$ . Estos resultados son consistentes con las predicciones de modelos de transporte que incorporan tanto efectos de CNM (sombreado, efecto Cronin) como efectos de materia nuclear caliente (disociación y regeneración).
Colisiones pO: El $R_{pO}$ del $J/\psi$ muestra una supresión de aproximadamente el 30% a bajo $p_T$ , seguida de un aumento gradual hacia la unidad a mayor $p_T$ . Estos datos son consistentes con el modelo de Pérdida de Energía Totalmente Coherente (FCEL), que atribuye los efectos nucleares a la interferencia entre las amplitudes de radiación de los partones entrantes y salientes, asumiendo la producción de $c\bar{c}$ en un estado de octeto de color sin efectos de PDF nuclear.
Comparación de Sistemas:
- El $R_{OO}$ es sistemáticamente menor que el $R_{pO}$ en todo el rango de $p_T$ medido, lo que sugiere que mientras pO está dominado por efectos de CNM, las colisiones OO pueden involucrar contribuciones adicionales de materia nuclear caliente.
- Las comparaciones con colisiones p–Pb y Pb–Pb revelan que, si bien $R_{pO}$ y $R_{pPb}$ muestran una dependencia de $p_T$ similar, sus magnitudes difieren.
- Las colisiones Pb–Pb exhiben una dependencia de $p_T$ más fuerte y una supresión más profunda a alto $p_T$ ( $R_{PbPb} \approx 0.4$ ) en comparación con OO. Esto indica que la regeneración juega un papel más significativo en el sistema más grande de Pb–Pb, probablemente debido a la mayor abundancia de pares de quarks pesados y a la mayor densidad de energía inicial.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que estas primeras mediciones de la producción de $J/\psi$ en colisiones OO y pO representan un nuevo paso para cerrar la brecha en la comprensión de los sistemas pp, p–Pb y Pb–Pb. Los resultados proporcionan indicios iniciales de que los efectos de materia nuclear caliente pueden estar ya en juego en las colisiones de iones ligeros (específicamente en OO), como lo evidencia la supresión más fuerte en OO comparado con pO y la concordancia con modelos que incluyen regeneración. Sin embargo, el autor señala que la contribución de recombinación en OO es probablemente de menor magnitud que en Pb–Pb debido al menor tamaño del sistema. El estudio concluye que, aunque los resultados son preliminares, ofrecen información importante sobre la dependencia del tamaño del sistema en la supresión de quarkonium y la transición de efectos de materia nuclear fría a efectos de materia nuclear caliente. El autor sugiere que futuras comparaciones de $R_{AA}$ como función de $N_{part}$ y mediciones del flujo elíptico ( $v_2$ ) del $J/\psi$ aclararían aún más el papel de la materia nuclear caliente en estos sistemas intermedios.

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