Measurements of charged-particle pseudorapidity and transverse momentum distributions in O+O and Ne+Ne collisions at $\sqrt{s_{_\text{NN}}} = 5.36$ TeV with the ATLAS detector

Sintesi Tecnica: Misurazioni delle distribuzioni di pseudorapidità e di impulso trasverso delle particelle cariche in collisioni O+O e Ne+Ne a $\sqrt{s_{NN}} = 5,36$ TeV

Problema e Motivazione
Le collisioni di ioni pesanti all'LHC sono comprese come capaci di creare un plasma di quark e gluoni (QGP) che evolve idrodinamicamente. Sebbene i calcoli idrodinamici viscosi abbiano descritto con successo le misure di particelle singole e multi-particella "soft" in sistemi grandi (ad es. Pb+Pb), una questione critica rimane aperta: se il paradigma della creazione del QGP e dell'idrodinamizzazione si applichi anche a sistemi con dimensioni trasversali comparabili a quelle di un singolo protone. Recenti osservazioni di comportamenti di tipo collettivo in collisioni protone-protone e protone-nucleo suggeriscono che il QGP possa formarsi anche in sistemi molto piccoli. Per investigare la dipendenza di questa evoluzione dalla dimensione del sistema e dalla geometria nucleare, sono necessarie collisioni di nuclei leggeri con forme distinte. Nello specifico, il nucleo $^{16}$O e il nucleo $^{20}$Ne possiedono dimensioni simili ma sono predetti avere diverse forme dello stato fondamentale a causa di effetti di $\alpha$-clustering (con il $^{20}$Ne che potenzialmente esibisce una forma a "bottiglia da bowling"). Misurare gli osservabili sensibili alla geometria dello stato iniziale e al successivo flusso radiale in questi sistemi è essenziale per testare i modelli idrodinamici e le descrizioni dello stato iniziale.

Metodologia
Questa analisi utilizza i dati registrati dal rivelatore ATLAS durante run speciali dell'LHC nel luglio 2025, comprendenti $27,7~\mu\text{b}^{-1}$ di collisioni O+O e $53,1~\mu\text{b}^{-1}$ di collisioni Ne+Ne a $\sqrt{s_{NN}} = 5,36$ TeV.

• Selezione degli Eventi e Centralità: Gli eventi sono stati selezionati utilizzando trigger minimum-bias. La centralità della collisione (0–80%) è stata caratterizzata dall'energia trasversa totale ($\Sigma E_T^{\text{FCAL}}$) misurata nei calorimetri ATLAS forward. Un'analisi basata sul modello Glauber, che incorpora le distribuzioni di densità nucleare da modelli di struttura nucleare ab initio (PGCM e NLEFT), è stata utilizzata per mappare la distribuzione dell'energia trasversa in percentili di centralità e stimare il numero medio di nucleoni partecipanti ($\langle N_{\text{part}} \rangle$).
• Ricostruzione delle Tracce: Le tracce di particelle cariche sono state ricostruite nel rivelatore interno (ID) nell'intervallo fiduciale $|\eta| < 2,5$ e $0,27 < p_T < 5$ GeV. Le particelle primarie sono state distinte dalle tracce secondarie (da decadimenti deboli o interazioni con il materiale) e dalle tracce false (combinatorie) utilizzando simulazioni Monte Carlo (HIJING) e fit di template basati sui dati della distanza di massimo approccio ($d_0$).
• Variabili di Rapidità: Per mitigare le distorsioni derivanti dalla differenza tra pseudorapidità ($\eta$) e rapidità vera ($y$), particolarmente a basso $p_T$, le misure sono state eseguite anche utilizzando una rapidità con ipotesi di massa del pione ($y_\pi$). Questa variabile fornisce risultati più vicini alla rapidità vera, che è la variabile naturale per la produzione di particelle adroniche.
• Estrapolazione: Le rese invarianti per evento sono state misurate nell'intervallo fiduciale ed estrapolate a $p_T > 0$ MeV. Ciò è stato ottenuto interpolando gli spettri $p_T$ misurati con una funzione "Hagedorn + esponenziale negativa" (aumentata da un termine esponenziale negativo per migliorare la qualità del fit) e integrando analiticamente la funzione. Le correzioni per la migrazione tra $\eta$ e $y_\pi$ sono state applicate utilizzando i rapporti misurati delle rese invarianti.
• Incertezze Sistematiche: Le incertezze complete sono state valutate, incluse la selezione delle tracce, la modellazione del materiale del rivelatore, la definizione della centralità, il reweighting Monte Carlo (per corrispondere ai rapporti di sapore di ALICE) e la forma funzionale e l'intervallo utilizzati per l'estrapolazione di $p_T$.

Contributi Chiave e Risultati
Il documento presenta le prime misurazioni dettagliate ATLAS della densità di pseudorapidità delle particelle cariche ($dn/d\eta$), dell'impulso trasverso medio ($\langle p_T \rangle$) e degli spettri di impulso trasverso invariante in collisioni O+O e Ne+Ne.

• Forme Spettrali e Flusso Radiale: Gli spettri $p_T$ mostrano un indurimento (hardening) passando da collisioni periferiche a centrali, con rese sotto $p_T \sim 0,5$ GeV soppresse e rese a $p_T$ più elevato potenziate negli eventi centrali. Questa tendenza è coerente con lo sviluppo di un più forte flusso radiale nelle collisioni più centrali. L'indurimento è osservato essere approssimativamente invariante rispetto al boost su $|\eta| < 2,5$.
• Dipendenza dal Sistema (Ne+Ne vs. O+O):
  • Molteplicità: Le collisioni Ne+Ne producono molteplicità di particelle cariche più elevate rispetto alle collisioni O+O per una data centralità. Il rapporto $dn/d\eta(\text{Ne+Ne})/dn/d\eta(\text{O+O})$ varia da circa 1,20 nelle collisioni più centrali (0–1%) a 1,04 in quelle periferiche (75–80%).
  • $p_T$ Medio: L'impulso trasverso medio è quasi identico per entrambi i sistemi, con differenze inferiori allo 0,5% (5 MeV) attraverso l'intervallo di centralità.
  • Rapporti degli Spettri $p_T$: Il rapporto tra gli spettri $p_T$ di Ne+Ne e O+O è quasi indipendente da $p_T$ (variando di $<10\%$), indicando che la resa relativa delle particelle è ampiamente costante in tutto l'intervallo di momento misurato.
• Confronto con la Teoria:
  • Modelli Idrodinamici: I calcoli che utilizzano i framework IPGlasma e Trento (accoppiati rispettivamente con i solver idrodinamici MUSIC e Trajectum) riproducono generalmente le tendenze osservate. Tuttavia, le deviazioni aumentano nelle collisioni periferiche. Le predizioni basate su IPGlasma mostrano un accordo leggermente migliore con i dati rispetto alle predizioni basate su Trento.
  • Modello EPOS: Il generatore di eventi EPOS (configurazione core–corona) fornisce il miglior accordo complessivo con i dati attraverso gli intervalli di centralità.
  • Sensibilità alla Struttura Nucleare: Le misure dei rapporti Ne+Ne/O+O per $dn/d\eta$ e $\langle p_T \rangle$ si rivelano sensibili alle differenze tra i modelli di struttura nucleare (PGCM vs. NLEFT), particolarmente nelle collisioni più centrali dove i modelli idrodinamici predicono geometrie iniziali differenti.

Significatività
Questo lavoro costituisce i primi risultati dettagliati ATLAS per la produzione di particelle cariche in collisioni O+O e Ne+Ne all'LHC. Confrontando due sistemi di dimensioni simili ma con diverse forme nucleari, le misurazioni forniscono importanti vincoli sperimentali ai modelli di produzione di particelle e di comportamento collettivo in sistemi nucleari di piccole e medie dimensioni. I risultati completano i dati esistenti di $pp$, $p$+A e collisioni di ioni pesanti, contribuendo a un quadro più completo dell'insorgenza e dell'evoluzione della dinamica del QGP in funzione della dimensione del sistema. I dati servono come baseline per comprendere come la geometria iniziale nucleare influenzi lo sviluppo del flusso radiale e le molteplicità delle particelle nelle collisioni di ioni leggeri.