Study of the thermodynamic properties of hot QCD matter with the CMS experiment

Riepilogo Tecnico: Studio delle Proprietà Termodinamiche della Materia QCD Calda con l'Esperimento CMS

Problema e Motivazione
L'obiettivo primario di questo lavoro è estrarre il quadrato della velocità del suono ($c_s^2$) della materia fortemente interagente a temperature estreme. Questo parametro è un componente fondamentale dell'equazione di stato (EoS) per il plasma di quark e gluoni (QGP), uno stato deconfinato di quark e gluoni creato nelle collisioni di ioni pesanti ultrarelativistici. Sebbene il QGP sia ben descritto dall'idrodinamica relativistica come un quasi "liquido perfetto", vincoli sperimentali precisi sulla sua EoS, in particolare la relazione tra pressione e densità di energia, rimangono critici. Il lavoro affronta la sfida di misurare $c_s^2$ nelle collisioni piombo-piombo (PbPb) ultra-centrali ed esplora se proprietà termodinamiche simili possano essere estratte in sistemi più piccoli protone-piombo (pPb), dove la formazione di un QGP è ancora oggetto di attiva indagine.

Metodologia
L'analisi utilizza dati raccolti dall'esperimento CMS al LHC. La metodologia si basa su un approccio innovativo proposto nel Rif. [8], che sfrutta la relazione termodinamica tra la quantità di moto trasversale media ($\langle p_T \rangle$) e la molteplicità di particelle cariche ($N_{ch}$) nelle collisioni ultra-centrali.

• Setup Sperimentale:
  • Collisioni PbPb: Sono stati utilizzati dati del 2018 a $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV (luminosità integrata 0.607 nb$^{-1}$). Gli eventi ultra-centrali (parametro d'impatto vicino allo zero) sono stati selezionati utilizzando i calorimetri Hadron Forward (HF) e i Calorimetri a Zero Gradi (ZDC) per rifiutare il pileup.
  • Collisioni pPb: Sono stati analizzati dati del 2016 a $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV e 8.16 TeV per investigare eventi ad alta molteplicità.
• Ricostruzione e Correzioni:
  • Le tracce delle particelle cariche sono state ricostruite entro specifici intervalli di pseudorapidità ($|\eta| < 0.5$ per PbPb, $|\eta| < 1.5$ per pPb) e soglie di quantità di moto trasversale ($p_T > 0.3$ GeV).
  • L'efficienza di tracciamento e i tassi di errata ricostruzione sono stati valutati utilizzando eventi HYDJET con simulazione completa del rivelatore GEANT4. Fattori di correzione sono stati applicati in funzione di $\eta$, $p_T$ e occupazione del rivelatore.
  • Gli spettri $p_T$ sono stati estrapolati all'intero intervallo utilizzando adattamenti con la funzione di Hagedorn per evitare bias.
• Definizione dell'Osservabile:
  • L'osservabile centrale è la quantità di moto trasversale media normalizzata ($\langle p_T \rangle_{norm}$) in funzione della molteplicità di particelle cariche normalizzata ($N_{ch}^{norm}$).
  • Il quadrato della velocità del suono è estratto adattando la relazione:
    $$\langle p_T \rangle_{norm} = \left( \frac{N_{ch}^{norm}}{\langle N_{ch}^{knee} | N_{ch}^{norm} \rangle} \right)^{c_s^2}$$
    dove il termine al denominatore tiene conto del "ginocchio" nella distribuzione della molteplicità a parametro d'impatto zero.
  • Per le collisioni pPb, è stato impiegato un metodo a due energie, adattando $\langle p_T \rangle = C N_{ch}^{c_s^2}$ attraverso diversi intervalli di energia di collisione a intervalli di centralità fissi.

Risultati Chiave

• Collisioni PbPb:
  • L'analisi delle collisioni PbPb ultra-centrali rivela un lieve declino di $\langle p_T \rangle_{norm}$ seguito da una ripida ascesa ad alte molteplicità, coerente con le aspettative idrodinamiche in cui il volume del sistema satura e la temperatura aumenta con la densità di entropia.
  • L'adattamento della regione ad alta molteplicità ($N_{ch}^{norm} > 1.14$) produce:
    $$c_s^2 = 0.241 \pm 0.002 \text{ (stat)} \pm 0.016 \text{ (syst)}$$
    a una temperatura efficace di $T_{eff} = 219 \pm 8 \text{ (syst)}$ MeV.
  • Questo risultato mostra un eccellente accordo con i calcoli della QCD su reticolo e la simulazione idrodinamica TRAJECTUM.
• Collisioni pPb:
  • Nelle collisioni pPb, la quantità $d \ln \langle p_T \rangle / d \ln N_{ch}$ è stata studiata in funzione di $T_{eff}$.
  • In uno scenario invariante per boost ($T_{eff} \approx \langle p_T \rangle / 3$), i risultati pPb concordano bene con la QCD su reticolo e i dati PbPb, estendendo la copertura di temperatura.
  • In uno scenario di evoluzione tridimensionale ($T_{eff} \approx \langle p_T \rangle / 2.45$), l'accordo con la QCD su reticolo peggiora, con i dati che si trovano a 1–2 deviazioni standard al di sotto delle previsioni.
  • Il modello Monte Carlo HIJING non riesce a descrivere la tendenza crescente osservata alle molteplicità più elevate nelle collisioni pPb, suggerendo che meccanismi non termici da soli non possono spiegare la collettività osservata in questi sistemi piccoli.

Significato e Affermazioni
Il lavoro afferma che la misurazione precisa di $c_s^2$ nelle collisioni PbPb ultra-centrali fornisce prove solide della formazione di una fase QCD deconfinata alle energie LHC. L'accordo tra il $c_s^2$ estratto e i calcoli della QCD su reticolo convalida l'uso di sonde idrodinamiche per studiare le proprietà termodinamiche del QGP.

Per quanto riguarda i sistemi più piccoli, gli autori affermano che, sebbene le descrizioni termodinamiche sembrino applicabili agli eventi pPb ad alta molteplicità sotto certe assunzioni, l'interpretazione è altamente sensibile al modello di evoluzione dinamica (invariante per boost vs 3D). Il lavoro evidenzia la necessità di una modellazione teorica raffinata degli effetti legati alla dimensione del sistema e della relazione tra $\langle p_T \rangle$ e temperatura efficace. Il lavoro conclude notando che future estensioni ad altri sistemi di collisione (ad es. O-O, Ne-Ne) e analisi delle fluttuazioni più sofisticate vincoleranno ulteriormente l'EoS della materia QCD calda.