Centrality dependence of strange particle production in Pb-Pb collisions at $\sqrt{s_{\rm NN}} = 5.02$ TeV

Per comprendere l'universo al suo livello più fondamentale, i fisici studiano cosa accade quando la materia viene schiacciata con una forza tale che i veri e propri mattoni degli atomi si dissolvono. In condizioni normali, protoni e neutroni sono composti da particelle più piccole chiamate quark, che sono incollate così strettamente da non poter esistere da sole. Tuttavia, se abbastanza energia viene concentrata in uno spazio minuscolo, questa colla si scioglie. I quark e le particelle che trasportano la forza tra di essi, chiamate gluoni, si liberano e formano un nuovo stato della materia noto come plasma di quark e gluoni. Si ritiene che questo stato sia esistito per una frazione di secondo subito dopo il Big Bang. Gli scienziati ricreano questo ambiente estremo facendo scontrare nuclei atomici pesanti a velocità vicine a quella della luce. Osservando quali particelle emergono da queste collisioni, i ricercatori possono apprendere come questa zuppa primordiale si comporti, come si raffreddi e come infine si riassembli nella materia che compone il nostro mondo oggi.

Una domanda chiave in questo campo è come vengano create le particelle strane in questo plasma. Nel mondo standard degli atomi, le particelle contenenti quark "strani" sono rare e difficili da produrre. Ma nell'ambiente caldo e denso del plasma di quark e gluoni, la teoria suggerisce che i quark strani dovrebbero essere creati molto più facilmente e in numero maggiore rispetto alle collisioni ordinarie. Questo fenomeno, noto come potenziamento della strangeness (strangeness enhancement), è una firma che gli scienziati hanno cercato per dimostrare che si è formato questo speciale stato della materia. Per anni, i ricercatori hanno osservato questo effetto nelle grandi collisioni tra nuclei pesanti, ma la storia si è complicata quando hanno iniziato a osservare collisioni più piccole, come quelle tra un singolo protone e un nucleo pesante. Sorprendentemente, le particelle strane apparivano anche in questi scontri più piccoli, a patto che la collisione fosse abbastanza violenta. Ciò ha sollevato una nuova domanda: la creazione di queste particelle è guidata dalle dimensioni degli oggetti che collidono, o è guidata semplicemente dal numero di particelle prodotte nello scontro, indipendentemente dalle dimensioni?

Per rispondere a questo, la collaborazione ALICE al Large Hadron Collider in Europa ha analizzato una vasta collezione di dati provenienti da collisioni piombo-piombo. Queste collisioni sono avvenute a un'energia di 5,02 TeV per coppia di nucleoni, un valore record per la seconda fase principale delle operazioni del collider tra il 2015 e il 2018. Il team si è concentrato su una specifica famiglia di particelle: quelle che contengono quark strani. Hanno osservato particelle singole strane come il kaone neutro e il barione lambda, così come particelle multi-strane come lo strange (cascade) e l'omega, che contengono rispettivamente due o tre quark strani. Utilizzando l'intero set di dati di quella fase, che includeva 280 milioni di eventi di collisione, i ricercatori hanno potuto misurare queste particelle con una precisione senza precedenti attraverso un ampio intervallo di "centralità" della collisione. La centralità descrive quanto sia frontale la collisione; una collisione centrale è uno scontro diretto, testa a testa, mentre una collisione periferica è più un urto di strisciata. Ciò ha permesso al team di vedere come la produzione di particelle cambi al variare della violenza della collisione, dall'estremo al più tenue.

I ricercatori hanno scoperto che il comportamento di queste particelle strane cambia drasticamente a seconda di quanto è centrale la collisione. Nelle collisioni centrali, più violente, le particelle emergono con velocità medie più elevate e una diffusione di quantità di moto più ampia rispetto alle collisioni periferiche più dolci. Ciò suggerisce che, negli scontri più energetici, la materia creata si espande verso l'esterno con una forte spinta collettiva, proprio come un fluido che viene compresso. Quando hanno esaminato il rapporto tra barioni strani e mesoni strani, hanno osservato un picco distinto a velocità intermedie. Questo picco era molto più alto e spostato verso velocità più elevate nelle collisioni centrali rispetto a quelle periferiche. Questo schema si allinea con l'idea che la materia calda e densa si comporti come un fluido che spinge i barioni più pesanti verso velocità più elevate in modo più efficace rispetto ai mesoni più leggeri.

Forse il risultato più significativo è stato il modo in cui questi risultati si collegano ai sistemi di collisione più piccoli. Il team ha confrontato i dati piombo-piombo con i risultati precedenti di collisioni protone-protone e protone-nucleo. Hanno scoperto che, quando hanno tracciato la produzione di particelle strane rispetto al numero totale di particelle cariche create nell'evento, i dati di tutti e tre i tipi di collisione cadevano su un'unica curva fluida. Che la collisione fosse tra due nuclei pesanti, tra un protone e un nucleo, o tra due protoni, la produzione di particelle strane dipendeva quasi interamente dall'attività totale dell'evento, non dalle dimensioni o dal tipo di oggetti che collidevano. Questa connessione fluida suggerisce che il meccanismo che guida la creazione di queste particelle è universale. Implica che, una volta raggiunta una certa soglia di attività, il sistema si comporta in modo simile indipendentemente dal fatto che sia stato formato da una collisione piccola o grande.

Lo studio ha anche testato un modello informatico specifico chiamato EPOS 4, che tenta di simulare la complessa fisica di queste collisioni. Il modello ha riprodotto con successo le tendenze generali osservate nei dati, inclusi il modo in cui le velocità delle particelle cambiavano con la centralità della collisione e il modello generale della produzione di particelle strane. Tuttavia, il modello non corrispondeva perfettamente ai dati in ogni dettaglio. Tendeva a prevedere velocità leggermente inferiori per le particelle rispetto a quelle effettivamente misurate, e ha sovrastimato l'intensità del picco delle particelle strane nelle collisioni meno violente. Nonostante queste piccole discrepanze, il fatto che il modello potesse catturare le caratteristiche generali dei dati fornisce un forte supporto alla comprensione attuale di come questi sistemi si evolvono.

In definitiva, questo lavoro conferma che la produzione di particelle strane è governata dalla densità della collisione piuttosto che dalla geometria degli oggetti che collidono. Il potenziamento delle particelle strane, un tempo considerato una firma unica del plasma di quark e gluoni nei grandi nuclei, appare come un fenomeno più generale che si verifica ogni volta che abbastanza energia viene concentrata per creare un'alta densità di particelle. I risultati mostrano che la transizione dai sistemi di collisione piccoli a quelli grandi è fluida, senza salti improvvisi o interruzioni nel comportamento delle particelle. Ciò fornisce un test robusto per i modelli teorici e approfondisce la comprensione di come la materia si comporti nelle condizioni più estreme dell'universo. I risultati suggeriscono che le regole che governano la creazione di queste particelle esotiche sono coerenti attraverso diverse scale, offrendo un quadro più chiaro delle forze fondamentali in gioco nei primi istanti dell'universo.