Charmonium production in p+A collisions at SPS and FAIR energies

Nel cuore profondo della materia, protoni e neutroni non sono sfere solide e indivisibili, ma piuttosto città frenetiche composte da particelle ancora più piccole chiamate quark e gluoni. In condizioni normali, queste particelle sono legate strettamente tra loro e non vengono mai viste da sole. Tuttavia, quando gli scienziati fanno scontrare nuclei atomici pesanti a velocità incredibili, creano una zuppa effimera e caldissima in cui queste particelle vagano liberamente. Questo stato della materia è noto come plasma di quark e gluoni, una condizione che esisteva appena istanti dopo il Big Bang. Per capire come si comporta questo plasma e come transiti verso la materia ordinaria, i fisici cercano dei "messaggeri" specifici che possano sopravvivere al viaggio attraverso questo ambiente estremo. Uno dei messaggeri più importanti è una particella chiamata charmonium, una coppia minuscola e strettamente legata composta da un quark charm e dal suo partner di antimateria. Poiché il charmonium è così pesante e compatto, agisce come una sonda sensibile; se scompare o cambia mentre si muove attraverso la zuppa calda, dice agli scienziati esattamente di cosa è fatta la zuppa e quanto è densa.

La sfida consiste nel separare gli effetti di questa zuppa calda dagli effetti della materia nucleare fredda e densa che esiste anche prima che avvenga la collisione. Per fare ciò, i ricercatori hanno prima bisogno di una linea di base chiara: devono capire come si comporta il charmonium quando attraversa nuclei atomici ordinari senza il calore aggiunto di un plasma. Questa è la domanda specifica affrontata da un nuovo studio di un team di fisici che lavorano con dati provenienti da strutture di accelerazione europee. I ricercatori hanno utilizzato una sofisticata simulazione al computer chiamata approccio Parton–Hadron–String Dynamics per modellare come queste particelle pesanti si formano e si muovono. Si sono concentrati sulle collisioni tra protoni e vari nuclei atomici, che vanno dal berillio leggero al piombo e all'oro pesanti, a energie simili a quelle presenti al Super Proton Synchrotron e alla futura struttura FAIR in Germania.

Il lavoro del team è iniziato testando la loro simulazione contro dati reali da collisioni di protoni con nuclei leggeri. Hanno scoperto che il loro modello poteva riprodurre accuratamente il numero di particelle di charmonium prodotte quando l'energia di collisione era impostata a 400 GeV. Questo successo ha dato loro la fiducia necessaria per utilizzare lo stesso modello per investigare cosa accade quando il protone colpisce un nucleo molto più pesante, come il piombo. In queste collisioni più pesanti, la particella di charmonium deve attraversare uno strato molto più spesso di materia nucleare. I ricercatori hanno scoperto che, per corrispondere ai dati sperimentali, il charmonium deve essere "assorbito" o frammentato dai protoni e neutroni circostanti con una specifica probabilità. Hanno calcolato che, per una particella di charmonium standard, la probabilità di assorbimento corrisponde a una sezione d'urto di 7 millibarn all'energia più elevata di 400 GeV. Interessante è che, abbassando l'energia a 158 GeV, il modello richiedeva un valore di assorbimento maggiore, pari a 10 millibarn, per corrispondere alle osservazioni. Ciò suggerisce che, a velocità di collisione inferiori, la materia nucleare è più efficace nel frammentare queste particelle pesanti.

Avendo stabilito questa linea di base per la materia nucleare ordinaria, il team ha poi guardato al futuro della fisica degli ioni pesanti. Hanno esteso le loro simulazioni alle energie inferiori previste dalla struttura FAIR, guardando specificamente alle collisioni tra protoni e nuclei d'oro a 29 GeV. In questo ambiente, ricco di barioni (protoni e neutroni), i ricercatori hanno previsto i tassi di produzione e le probabilità di sopravvivenza del charmonium. Hanno scoperto che, sebbene le particelle vengano comunque prodotte, la loro sopravvivenza dipende fortemente dalle loro dimensioni e da come interagiscono con il mezzo circostante. Lo studio ha anche considerato l'influenza di altre particelle create durante la collisione, note come comover, ma ha determinato che, in queste specifiche collisioni protone-nucleo, il loro effetto è minore rispetto all'assorbimento diretto da parte del nucleo.

L'obiettivo ultimo di questo lavoro è fornire un riferimento affidabile per i futuri esperimenti che faranno scontrare nuclei pesanti per creare il plasma di quark e gluoni. Conoscendo con precisione quanto charmonium viene perso solo passando attraverso la materia nucleare fredda, gli scienziati possono identificare meglio quanto venga perso a causa del calore estremo del plasma stesso. I ricercatori hanno dimostrato che il loro metodo, che modella dinamicamente la formazione di queste particelle dai loro costituenti quark, fornisce una descrizione coerente e quantitativa dei dati. Questo quadro è ora pronto per essere applicato alle collisioni più complesse di nuclei pesanti, aiutando a mappare la struttura di fase della forza forte e rivelando come l'universo sia passato da una zuppa calda e fluente alla materia strutturata che vediamo oggi.