The role of strangeness and baryon enhancement in heavy-quark hadronisation from pp to Pb$-$Pb collisions with ALICE

Nel cuore profondo della materia, dove risiedono i mattoni fondamentali dell'universo, giace un processo che rimane uno degli enigmi più ostinati della natura. Quando i quark, le particelle fondamentali che compongono protoni e neutroni, vengono creati in collisioni ad alta energia, non rimangono soli. Devono immediatamente combinarsi con altre particelle per formare gruppi stabili chiamati adroni. Questa trasformazione, nota come adronizzazione, è governata dalla forza forte, l'interazione più potente della natura. Tuttavia, le regole di questo processo sono così complesse che non possono essere calcolate partendo dai primi principi utilizzando la matematica attuale. Per decenni, i fisici si sono affidati ai dati provenienti da collisioni semplici, come quelle tra elettroni e positroni, per costruire un modello standard di come queste particelle si uniscano. Questo modello assume che il modo in cui i quark formano la materia sia universale, ovvero che avvenga nello stesso modo indipendentemente dall'ambiente. Eppure, osservazioni recenti suggeriscono che questa assunzione potrebbe essere errata, lasciando intendere che l'ambiente stesso possa cambiare le regole di come la materia viene assemblata.

Un ricercatore che utilizza il rivelatore ALICE al Large Hadron Collider ha ora esaminato più da vicino questo fenomeno, concentrandosi specificamente sulle particelle contenenti un pesante quark charm. Distruggendo protoni tra loro e facendo collidere pesanti ioni di piombo, hanno creato ambienti che spaziano dallo spazio vuoto a una densa e calda zuppa di quark e gluoni liberi. Il loro obiettivo era vedere se la presenza di quark strani e la densità dell'ambiente di collisione potessero alterare il modo in cui i quark charm decidono quali partner unirsi. I risultati rivelano un chiaro cambiamento di comportamento: nelle condizioni affollate delle collisioni tra ioni pesanti, i quark charm hanno molta più probabilità di formare gruppi multiparticella complessi rispetto a quanto accade nelle collisioni semplici. Questa scoperta sfida la lungamente sostenuta convinzione di un meccanismo universale e punta verso un processo in cui le particelle si fondono insieme da un pool condiviso di risorse piuttosto che rompersi da una singola fonte.

Lo studio è iniziato esaminando le collisioni tra protoni, le unità più piccole della materia utilizzate in questi esperimenti, a un livello di energia di 13,6 trilioni di elettronvolt. Il ricercatore ha misurato il rapporto tra un tipo specifico di barione charm, una particella composta da tre quark, e un mesone charm, una particella composta da due. Nelle collisioni semplici tra protoni, questo rapporto è risultato significativamente più alto di quanto osservato nelle collisioni elettrone-positrone e superiore a quanto previsto dai modelli informatici standard. Questi modelli, che assumono che le particelle si formino frammentandosi in un vuoto, non sono riusciti a spiegare l'abbondanza di questi gruppi a tre quark. I dati suggeriscono che nelle collisioni tra protoni, anche ad alte energie, sono in gioco meccanismi aggiuntivi, come la riconnessione delle particelle o la formazione di piccole gocce temporanee di plasma, che incoraggiano la formazione di queste strutture più complesse.

Per capire come questo cambi in un ambiente molto più denso, il ricercatore si è rivolto alle collisioni tra ioni di piombo, che creano uno stato della materia noto come plasma di quark e gluoni. In queste collisioni, la densità di energia è così alta che protoni e neutroni si sciolgono, rilasciando i loro quark costituenti in un mezzo condiviso e caotico. Il ricercatore ha misurato la produzione di un particolare barione strange charm in queste collisioni tra ioni pesanti e ha trovato un aumento drammatico. Il tasso di produzione di queste particelle era circa tre volte superiore a quello che ci si aspetterebbe se le particelle stessero semplicemente passando senza interagire. Questo massiccio incremento indica che l'ambiente denso sta attivamente aiutando i quark charm a trovare partner, specificamente quelli contenenti quark strani, per formare nuovi adroni. I dati si allineano con i modelli in cui le particelle coalescono, o si fondono, dalla zuppa circostante, piuttosto che formarsi indipendentemente.

L'indagine ha anche osservato come il rapporto tra mesoni strange charm e mesoni charm non-strange cambi all'aumentare del numero di particelle prodotte in una collisione. Nelle collisioni semplici tra protoni, questo rapporto è rimasto costante indipendentmente da quante particelle venivano create, coerentemente con uno scenario in cui le particelle si formano solo per frammentazione. Tuttavia, nelle collisioni tra ioni di piombo, il rapporto tra particelle strange e non-strange è cresciuto costantemente man mano che la collisione diventava più affollata. Questa tendenza suggerisce che, man mano che l'ambiente si riempie di più particelle, la probabilità che un quark charm si combini con un quark strange aumenta. A velocità molto elevate, dove le particelle si muovono troppo velocemente per interagire con il mezzo, il rapporto ritorna ai livelli visti nelle collisioni semplici, indicando che il processo di fusione domina solo quando le particelle si muovono abbastanza lentamente da poter interagire con l'ambiente circostante.

Per garantire che questi risultati non fossero distorti dal decadimento di particelle più pesanti ed eccitate, il ricercatore ha anche misurato la produzione di uno stato specifico di charm eccitato. Questa misurazione ha fornito il primo sguardo dettagliato su come queste particelle instabili contribuiscano al conteggio finale degli adroni stabili. I dati hanno mostrato che la produzione di questi stati eccitati segue un modello prevedibile che aiuta a spiegare i rapporti finali osservati. Combinati con le altre misurazioni, le prove suggeriscono fortemente che la formazione della materia non è una regola fissa e universale, ma un processo dinamico che risponde al suo ambiente. Nelle condizioni dense e ricche di strangeness create nelle collisioni tra ioni pesanti, le regole cambiano, favorendo la creazione di particelle complesse e strane attraverso un processo di fusione. Questo lavoro fornisce un tassello cruciale per comprendere come i mattoni fondamentali dell'universo si assemblino sotto condizioni estreme.