Multiplicity dependence of K$^*(892)^{\pm}$ production in pp collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Nel cuore del Large Hadron Collider, dove i protoni si scontrano a velocità vicine a quella della luce, i fisici stanno cercando di capire come l'universo costruisce se stesso partendo dalle fondamenta. Quando queste minuscole particelle collidono, creano una zuppa effimera e super-calda di blocchi fondamentali chiamati quark e gluoni. Mentre questa zuppa si raffredda, si congela nelle particelle stabili che compongono il mondo che ci circonda, come protoni e neutroni. Tuttavia, la transizione da questa zuppa calda alla materia solida non è istantanea. Esiste uno stadio intermedio, breve e caotico, in cui le particelle rimbalzano l'una contro l'altra, scambiandosi energia e cambiando direzione prima di stabilizzarsi definitivamente. Per studiare questo stadio intermedio, gli scienziati cercano particelle specifiche, a breve durata, che agiscono come messaggeri. Questi messaggeri nascono, viaggiano per una frazione infinitesimale di secondo e poi decadono in altre particelle. Misurando quanti di questi messaggeri sopravvivono al viaggio, i ricercatori possono dedurre quanto sia durato lo stadio caotico intermedio e quanto fosse affollato.

Un ricercatore che utilizza il rivelatore ALICE al CERN ha ora esaminato più da vicino uno di questi messaggeri, una particella nota come K-star, nelle collisioni tra protoni. Sebbene i protoni siano molto più piccoli dei pesanti nuclei atomici solitamente schiantati in questi esperimenti, osservazioni recenti suggeriscono che anche in queste minuscole collisioni possa formarsi una versione simile, seppur più piccola, di quella zuppa calda. Il team si è concentrato su come la produzione di queste particelle K-star cambi quando le collisioni sono più affollate rispetto a quando sono meno affollate. Hanno scoperto che nelle collisioni tra protoni più affollate, il numero di questi messaggeri a breve durata diminuisce significativamente rispetto a una particella più stabile chiamata K-zero. Questo calo è un segnale forte del fatto che i prodotti del decadimento della K-star vengono dispersi dalle altre particelle nella zona di collisione, impedendo alla K-star di essere ricostruita in seguito. Questa osservazione fornisce la prima chiara evidenza di una significativa soppressione del rapporto K-star/K-zero in piccoli sistemi di collisione, una scoperta che contribuisce alla continua investigazione sul fatto se tale comportamento complesso, tipicamente associato alle massicce collisioni di ioni pesanti, possa avvenire anche in sistemi più piccoli.

Il ricercatore ha analizzato i dati di miliardi di collisioni tra protoni avvenute a un'energia nel centro di massa di 13 tera-elettronvolt. Ha suddiviso questi eventi in diversi gruppi in base al numero di particelle cariche prodotte, spaziando da collisioni rade con pochissime particelle a collisioni estremamente affollate con molte particelle. Per ogni gruppo, ha ricostruito le particelle K-star cercando i loro prodotti di decadimento: un pione carico e una particella K-zero neutra. Poiché la K-star vive per un tempo così breve, non può essere vista direttamente; invece, lo scienziato ha dovuto ricomporla partendo dalle tracce lasciate dai suoi "figli". Ha inoltre misurato la produzione delle particelle K-zero stabili negli stessi eventi per fungere da punto di riferimento. Confrontando il rapporto tra le K-star e le K-zero attraverso i diversi livelli di affollamento, è stato possibile vedere come l'ambiente abbia influenzato le particelle a breve durata.

I risultati hanno mostrato una tendenza chiara e drammatica. Man mano che le collisioni diventavano più affollate, il rapporto tra K-star e K-zero diminuiva. Negli eventi più affollati, questo rapporto era significativamente inferiore rispetto a quelli meno affollati. Il ricercatore ha calcolato che questo calo non era una fluttuazione casuale ma un effetto fisico reale, con una certezza statistica corrispondente a un livello di significatività di 7σ, il che significa che la probabilità che ciò avvenga per caso è infinitamente piccola. Questa soppressione del segnale della K-star suggerisce che, negli eventi affollati, i prodotti di decadimento della K-star collidono con altre particelle nel mezzo prima che la K-star possa essere identificata. Queste collisioni confondono le informazioni necessarie per ricostruire la particella originale, nascondendola efficacemente ai rivelatori. Questo processo è noto come rescattering (o rinario). Il fatto che ciò accada nelle collisioni tra protoni implica che, anche in questi piccoli sistemi, esiste un ambiente abbastanza denso affinché avvengano queste interazioni, creando una fase adronica a breve durata in cui le particelle interagiscono fortemente tra loro.

Per capire se si trattasse di una nuova scoperta o solo di un effetto noto, il ricercatore ha confrontato i propri risultati con diversi modelli informatici utilizzati per simulare le collisioni tra particelle. Alcuni di questi modelli, che si basano su teorie standard di come interagiscono le particelle, prevedevano che il rapporto dovesse rimanere relativamente piatto o sovrastimavano i valori ad alta molteplicità, fallendo nel corrispondere al calo osservato. Questi modelli non sono riusciti a corrispondere ai dati. Tuttavia, un modello chiamato EPOS-LHC, che include un meccanismo in cui le stringhe di energia si sovrappongono e interagiscono in un nucleo denso, ha riprodotto con successo il calo osservato nel rapporto. Questo modello non richiede un particolare "afterburner" per simulare le fasi successive delle interazioni tra particelle; la soppressione emerge naturalmente dal modo in cui il modello gestisce il nucleo denso. Ciò suggerisce che la soppressione sia una conseguenza naturale dell'alta densità di particelle nella zona di collisione.

Il ricercatore ha anche esaminato come questo effetto cambiasse con la velocità delle particelle. Ha scoperto che la soppressione era più forte per le particelle che si muovevano lentamente. Le particelle veloci erano meno influenzate, probabilmente perché attraversano il mezzo denso troppo rapidamente per essere disperse. Questo dettaglio è coerente con l'idea che il processo di rescattering richieda tempo; le particelle lente trascorrono più tempo nell'ambiente affollato, avendo più opportunità di collidere con altre e perdere la propria identità. Il ricercatore ha inoltre notato che, mentre il numero complessivo di particelle prodotte aumentava con la densità della collisione, anche la velocità media delle particelle aumentava, un fenomeno spesso visto nelle grandi collisioni di ioni pesanti e solitamente attribuito a un'espansione collettiva del sistema.

Questo studio rappresenta un passo avanti significativo nella comprensione della natura della materia creata nelle collisioni ad alta energia. Dimostrando una chiara soppressione delle risonanze a breve durata nelle collisioni protone-protone, la collaborazione ALICE ha fornito una forte evidenza del fatto che il comportamento fluido e complesso della materia non è esclusivo delle massicce collisioni di nuclei atomici pesanti. I risultati suggeriscono che anche nei sistemi più piccoli può formarsi una fase di materia densa e interagente, che dura quanto basta per disperdere i prodotti di decadimento delle particelle instabili. Sebbene i dati supportino fortemente l'esistenza di questa fase, il ricercatore riconosce che la natura esatta del mezzo e la durata di questa fase rimangono oggetto di indagine continua. La capacità di certi modelli informatici di riprodurre questi risultati senza aggiungere esplicitamente una fase adronica indica che la fisica sottostante è complessa, e la questione se un vero plasma di quark e gluoni si formi in questi piccoli sistemi rimane aperta. Tuttavia, l'osservazione di questa soppressione con un tale livello di confidenza offre uno strumento nuovo e preciso per sondare i primi momenti della creazione della materia nell'universo.