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

Nel cuore della materia, dove gli atomi vengono privati dei loro gusci e protoni e neutroni sono costretti a collidere, giace uno stato di esistenza che non si vedeva dai primi istanti dell'universo. Quando pesanti nuclei atomici si scontrano l'uno con l'altro a velocità che si avvicinano a quella della luce, creano una minuscola e fugace goccia di fluido super-caldo nota come plasma di quark e gluoni. In questo ambiente estremo, i mattoni fondamentali della materia, che di solito sono strettamente intrappolati all'interno di protoni e neutroni, si sciolgono e vagano liberi insieme. I fisici studiano queste collisioni per capire come l'universo si sia raffreddato e abbia formato la struttura che vediamo oggi. Per farlo, devono contare le particelle che volano fuori dallo scontro. Il numero di particelle prodotte dice loro quanta energia è stata concentrata nella collisione e come si è comportata la materia in quei primi istanti. È un modo per misurare la dimensione e la forma della palla di fuoco creata dall'impatto.

Un team di scienziati che lavora con il rivelatore ALICE al Large Hadron Collider ha ora esaminato questi scontri con una nuova prospettiva, utilizzando una macchina recentemente aggiornata. Hanno fatto scontrare nuclei di piombo a un livello di energia record, creando un sistema così denso che ha richiesto una revisione completa della capacità del rivelatore di tenere il passo. I ricercatori si sono concentrati sul conteggio delle particelle cariche che sono emerse dal centro dello scontro. Analizzando miliardi di questi eventi, hanno mappato esattamente quante particelle vengono prodotte a seconda di quanto fosse frontale la collisione. Il loro lavoro conferma che le regole che governano queste minuscole esplosioni rimangono valide anche a queste nuove energie più elevate, rivelando al contempo che la quantità di materia creata cresce più velocemente in questi scontri pesanti rispetto alle collisioni tra singoli protoni.

L'esperimento si è svolto nel 2023, quando il Large Hadron Collider era in funzione con ioni di piombo a un'energia nel centro di massa per coppia di nucleoni di 5,36 tera-elettronvolt. Questa è l'energia più alta mai raggiunta per tali collisioni tra ioni pesanti. Per catturare i dati, il team di ALICE si è affidato a due importanti aggiornamenti installati durante una lunga interruzione dell'acceleratore. Il primo è stato un nuovo sistema di tracciamento interno composto da strati di sensori al silicio altamente sensibili, e il secondo è stata una revisione importante della grande camera a proiezione temporale, che funge da gigantesca telecamera 3D per le particelle. A differenza delle sessioni precedenti in cui il rivelatore attendeva un segnale per iniziare a registrare, il nuovo sistema opera in modalità continua, leggendo i dati senza sosta. Ciò era necessario perché le collisioni avvenivano così frequentemente che il rivelatore avrebbe perso la maggior parte di esse se avesse dovuto fare una pausa tra un evento e l'altro. Il team ha dovuto sviluppare nuovi software per filtrare il flusso continuo di informazioni e associare ogni traccia di particella al corretto vertice di collisione.

I ricercatori hanno analato un campione di 1,1 miliardi di collisioni "minimum-bias", che include tutti i tipi di impatti, dai colpi di striscio agli urti diretti. Hanno suddiviso questi eventi in dieci gruppi in base alla centralità della collisione, utilizzando segnali provenienti da rivelatori anteriori per stimare quanti nucleoni dei due nuclei di piombo abbiano effettivamente interagito. Per le collisioni più centrali, dove i nuclei colpiscono quasi esattamente al centro, il team ha scoperto che il numero medio di particelle cariche prodotte al centro della collisione era di 2.010, con un piccolo margine di errore. Man mano che le collisioni diventavano più periferiche, o di striscio, il numero di particelle diminuiva significativamente, arrivando a circa 21,5 per gli impatti più superficiali. Questa variazione ha permesso agli scienziati di studiare come la geometria della collisione influenzi la produzione di materia.

Per dare un senso a questi numeri, il team ha confrontato il conteggio delle particelle con il numero di nucleoni partecipanti, che rappresenta il numero totale di protoni e neutroni che hanno preso parte allo scontro. Hanno scoperto che, normalizzando i dati dividendo il conteggio delle particelle per il numero di coppie di nucleoni partecipanti, il risultato era 10,5 per le collisioni più centrali. Questo valore è circa il 4% superiore a quello misurato in collisioni simili a un'energia leggermente inferiore di 5,02 tera-elettronvolt. Questo aumento segue un trend prevedibile osservato in esperimenti precedenti a energie inferiori, confermando che la produzione di particelle nelle collisioni tra ioni pesanti scala con l'energia in un modo specifico. Il tasso con cui la produzione di particelle aumenta con l'energia è più veloce in queste collisioni pesanti di piombo rispetto alle collisioni tra singoli protoni, suggerendo che il comportamento collettivo dei molti nucleoni giochi un ruolo cruciale.

Il documento ha anche testato diversi modelli teorici che tentano di descrivere come queste particelle si formino. Alcuni modelli assumono che la materia formi un fluido che si espande e si raffredda secondo le leggi dell'idrodinamica, mentre altri trattano la collisione come una serie di interazioni individuali tra nucleoni senza alcun comportamento fluido collettivo. I dati hanno mostrato che, sebbene alcuni di questi modelli potessero catturare la forma generale dei risultati, tutti sottostimavano sistematicamente il numero effettivo di particelle prodotte nell'intero intervallo di centralità della collisione. Un modello che includeva una simulazione di come le particelle interagiscono dopo lo scontro iniziale si è avvicinato di più alla descrizione dei dati per le collisioni più centrali, ma nessun singolo modello è riuscito a riprodurre con successo i risultati per tutti i tipi di collisione. Ciò indica che la nostra attuale comprensione dei meccanismi che guidano la produzione di particelle in queste condizioni estreme è ancora incompleta.

Le scoperte servono come una grande validazione del rivelatore ALICE aggiornato e delle sue nuove capacità di lettura continua. La capacità di ricostruire miliardi di eventi con alta precisione dimostra che il nuovo hardware e il nuovo framework software possono gestire le condizioni estreme dell'attuale corsa del Large Hadron Collider. Fornendo una misurazione precisa della produzione di particelle all'energia più alta mai raggiunta, lo studio stabilisce un nuovo punto di riferimento per le indagini future. Conferma che i trend fondamentali osservati nel plasma di quark e gluoni sono robusti, anche quando l'energia delle collisioni aumenta, e sottolinea la necessità di strumenti teorici più sofisticati per spiegare pienamente la complessa dinamica di queste esplosioni subatomiche.