Multiplicity dependence of two-particle angular correlations of identified particles in pp collisions at $\mathbf{\sqrt{s} = 13}$ TeV

Nel cuore dell'universo, dove la materia viene ridotta ai suoi blocchi costruttivi più fondamentali, gli scienziati studiano come le particelle nascono e come si comportano quando si scontrano tra loro. Quando due protoni collidono quasi alla velocità della luce, non si limitano a rimbalzare; si frantumano in una pioggia di nuove particelle. Queste particelle, che includono pioni, kaoni e protoni, volano in tutte le direzioni. Misurando gli angoli con cui queste particelle emergono l'una rispetto all'altra, i fisici possono ricostruire le forze invisibili e le regole che hanno governato la loro creazione. È un po' come osservare i detriti di un vaso infranto per capire come il vaso sia stato assemblato, ma su una scala così piccola che le leggi della meccanica quantistica e la conservazione di quantità fondamentali come l'energia e la carica elettrica dettano il risultato. Per decenni, i ricercatori hanno utilizzato queste collisioni per testare le loro teorie su come funziona l'universo, eppure un particolare schema che coinvolge particelle pesanti chiamate barioni è rimasto ostinatamente difficile da spiegare.

Un nuovo studio della Collaborazione ALICE al Large Hadron Collider del CERN ha esaminato con uno sguardo fresco queste collisioni di particelle, concentrandosi questa volta su come il numero di particelle prodotte in un singolo impatto cambi il modo in cui esse sono correlate tra loro. I ricercatori hanno analato i dati delle collisioni protone-protone a un'energia di 13 tera-elettronvolt, un livello di potenza record che permette loro di sondare il mondo subatomico con un dettaglio senza precedenti. Hanno esaminato miliardi di collisioni, suddividendole in gruppi in base a quante particelle cariche venivano prodotte in ogni evento, spaziando da collisioni molto tranquille con poche particelle a quelle estremamente intense con molte particelle. Per ogni gruppo, hanno misurato la distanza angolare tra coppie di particelle, osservando specificamente quanto spesso particelle dello stesso tipo, come due protoni, apparissero vicine tra loro rispetto a quando fossero lontane.

La scoperta più sorprendente riguarda le coppie di protoni e altre particelle pesanti note come barioni. Negli esperimenti precedenti, gli scienziati avevano notato che quando due protoni vengono prodotti nella stessa collisione, tendono a evitare di apparire vicini tra loro nella direzione della collisione. Invece di raggrupparsi, mostrano una distinta "anti-correlazione", il che significa che sono meno probabili da trovare vicini rispetto a quanto suggerirebbe il caso casuale. Questo articolo conferma che tale evitamento avviene in tutti i tipi di collisioni, da quelle più tranquille a quelle più violente. Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che questo evitamento diventa ancora più pronunciato quando la collisione produce una maggiore densità di particelle. Questo comportamento mette in discussione gli attuali modelli informatici utilizzati per simulare questi eventi, i quali generalmente prevedono che le particelle debbano o raggrupparsi insieme o non mostrare un tale forte preferenza per stare separate.

Per capire perché ciò sia importante, bisogna guardare ai diversi tipi di particelle coinvolte. Lo studio ha esaminato pioni, kaoni e protoni, che sono i prodotti primari di questi impatti ad alta energia. Quando i ricercatori hanno osservato le coppie di pioni o kaoni, i risultati hanno concordato piuttosto bene con le teorie esistenti. Queste particelle più leggere mostravano una tendenza ad ammassarsi nella direzione della collisione, un comportamento guidato dalla creazione di minuscoli getti di particelle e dalla natura quantistica delle particelle stesse. Tuttavia, i protoni raccontavano una storia diversa. Mentre le particelle più leggere si comportavano come previsto, i protoni si rifiutavano costantemente di stare vicini tra loro. Questo evitamento sul "lato vicino" (near-side) è stato osservato in ogni classe di molteplicità, suggerendo che il meccanismo che impedisce ai protoni di essere vicini sia una caratteristica fondamentale di come la materia viene creata in queste collisioni, piuttosto che un colpo di fortuna di un tipo specifico di evento.

I ricercatori hanno anche introdotto un nuovo modo di analizzare i dati per eliminare un semplice effetto matematico che può nascondere la vera fisica. Negli studi precedenti, il modo in cui le correlazioni venivano misurate faceva sembrare che l'effetto fosse più forte nelle collisioni con meno particelle. Regolando il loro metodo per rimuovere questo fattore di scala, il team ha rivelato che la vera forza dell'evitamento dei protoni aumenta effettivamente all'aumentare del numero di particelle nella collisione. Questa scoperta è cruciale perché punta verso un ambiente complesso in cui la creazione di un protone influenza la creazione di un altro protone nelle vicinanze. I dati suggeriscono che gli attuali modelli, che si basano su teorie consolidate di come le stringhe di energia si rompano per formare particelle, stiano trascurando un ingrediente chiave. Questi modelli non riescono a riprodurre il forte evitamento osservato nei dati, indicando che la nostra comprensenza di come i barioni si formino e come interagiscano è incompleta.

Quando i ricercatori hanno confrontato le loro misurazioni con le previsioni di quattro diversi modelli informatici, i risultati sono stati misti. I modelli hanno descritto discretamente il comportamento dei pioni e dei kaoni più leggeri, catturando le forme generali delle correlazioni. Tuttavia, nessuno dei modelli è riuscito a riprodurre accuratamente il particolare schema di evitamento dei protoni osservato nell'esperimento. Alcuni modelli prevedevano che i protoni si raggruppassero, mentre altri non mostravano alcun forte schema. Persino i modelli più sofisticati, che tentano di tenere conto delle complesse interazioni delle particelle, non sono riusciti a eguagliare i dati sperimentali. Questo divario tra la simulazione e la realtà evidenzia un significativo punto cieco nella nostra comprensione teorica della produzione di particelle.

Lo studio ha anche esaminato come queste correlazioni cambino quando le particelle sono di tipi opposti, come un protone e un antiprotone. In questi casi, le particelle hanno mostrato un comportamento diverso, apparendo spesso più vicine tra loro, il che è coerente con l'idea che siano prodotte in coppie per conservare determinate proprietà fisiche. Questo contrasto sottolinea ulteriormente che l'evitamento osservato nelle coppie protone-protone è un fenomeno unico specifico per i barioni identici. I ricercatori hanno notato che questo comportamento persiste anche quando l'energia della collisione è sufficientemente alta da creare un ambiente denso in cui molte particelle vengono prodotte simultaneamente. Ciò suggerisce che le regole che governano queste interazioni sono robuste e non scompaiono nemmeno nelle condizioni più caotiche.

In definitiva, questo lavoro funge da guida vitale per i teorici che cercano di perfezionare i loro modelli del mondo subatomico. I dati forniscono un obiettivo chiaro: qualsiasi teoria di successo deve essere in grado di spiegare perché i protoni evitino di stare vicini in queste collisioni e perché questo effetto si rafforzi man mano che la collisione diventa più affollata. Le scoperte suggeriscono che i metodi attuali per simulare la creazione di particelle, che sono stati di successo per decenni, devono essere aggiornati per includere nuovi meccanismi che tengano conto di questo evitamento dei barioni. Che ciò comporti nuove regole su come le stringhe di energia si rompono o una comprensione più profonda delle interazioni quantistiche tra i quark, il percorso da seguire è ora illuminato da queste misurazioni precise. Lo studio non sostiene di aver risolto il mistero della produzione di barioni, ma ha stabilito fermamente la natura del problema, fornendo alla comunità sperimentale gli strumenti necessari per spingere ulteriormente i confini della nostra conoscenza.