Spin-spin correlations in $Λ\barΛ$ pair production at the SPD experiment at NICA

Nel mondo subatomico, le particelle non si limitano a collidere e rimbalzare; esse possiedono una proprietà intrinseca chiamata spin, una forma di momento angolare che si comporta come una minuscola bussola interna. Quando due particelle vengono create insieme da una singola sorgente, i loro spin possono diventare legati in un modo che sfida l'intuizione quotidiana, un fenomeno noto come entanglement quantistico. Per decenni, i fisici hanno studiato queste connessioni nelle collisioni ad alta energia, ma si è aperta una nuova frontiera: comprendere come questi delicati legami quantistici sopravvivano al processo caotico di trasformazione di quark invisibili in materia visibile. Questa transizione, chiamata adronizzazione, è il luogo in cui le regole fondamentali della forza forte prendono il sopravvento, ed è qui che la natura quantistica delle particelle iniziali può essere preservata o persa nell'ambiente circostante. Misurando come gli spin delle nuove particelle formate si allineano tra loro, gli scienziati possono scrutare in questo processo nascosto, testando se le strane connessioni non locali della meccanica quantistica persistano anche mentre la materia prende forma.

Un team di ricercatori presso l'Istituto Congiunto per la Ricerca Nucleare di Dubna, in Russia, ha ora proposto un piano dettagliato per esplorare questa questione utilizzando l'imminente Spin Physics Detector presso il collider NICA. Il loro studio si concentra su una coppia specifica di particelle: gli iperoni lambda e anti-lambda. Queste particelle sono uniche perché contengono un quark strange, e i loro schemi di decadimento agiscono come una telecamera integrata, rivelando la direzione del loro spin al momento della creazione. I ricercatori hanno utilizzato potenti simulazioni al computer per prevedere cosa accadrebbe collisionando protoni e deuteroni a energie fino a 27 miliardi di elettronvolt, un intervallo che si colloca tra le energie inferiori degli esperimenti precedenti e le energie estreme del Large Hadron Collider. Hanno scoperto che a queste energie intermedie, le condizioni sono particolarmente favorevoli per osservare le connessioni di spin originali perché il "rumore" caotico della collisione è minore, il che significa che vengono prodotte meno particelle extra che potrebbero diluire il segnale.

Il nucleo della loro indagine consiste nel tracciare l'origine delle coppie di quark strange che diventeranno infine questi iperoni. In alcuni casi, queste coppie emergono direttamente dal vuoto dello spazio stesso, mentre in altri nascono dalla scissione di gluoni ad alta energia o dalla collisione di altri quark. Il team ha simulato questi diversi meccanismi di produzione utilizzando modelli consolidati di fisica delle particelle e ha scoperto che la forza della connessione di spin dipende fortemente dall'energia di collisione. Al diminuire dell'energia, il contributo delle particelle più pesanti che decadono in iperoni lambda diminuisce rapidamente. Questa è una scoperta cruciale, poiché questi decadimenti più pesanti tendono a rimescolare l'informazione di spin originale. Concentrandosi su energie inferiori, il detector sarebbe in grado di vedere un quadro più chiaro dello stato quantistico iniziale, rivelando potenzialmente una correlazione più forte tra gli spin dei due iperoni rispetto a quanto visto ad energie più elevate.

I ricercatori hanno anche esaminato come la distanza tra le due particelle influenzi la loro connessione. Esperimenti precedenti a energie molto più elevate hanno riscontrato che, all'aumentare della separazione tra le particelle, la correlazione di spin si indeboliva, suggerendo che il legame quantistico venisse spezzato dall'ambiente circostante. Il nuovo studio prevede che a queste energie NICA, tale effetto possa essere misurato con alta precisione. Le simulazioni indicano che il detector è in grado di ricostruire le traiettorie di queste particelle con sufficiente accuratezza da distinguere tra quelle prodotte direttamente e quelle derivanti dal decadimento di genitori più pesanti. Infatti, il team ha calcolato che per ogni mese di raccolta dati, l'esperimento potrebbe raccogliere centinaia di migliaia di queste specifiche coppie di particelle, fornendo un campione statistico sufficientemente grande per misurare l'allineamento di spin con grande precisione.

Una parte significativa della proposta prevede l'uso di fasci polarizzati, in cui gli spin dei protoni o dei deuteroni in arrivo sono allineati in una direzione specifica prima della collisione. Questa caratteristica permette agli scienziati di testare se il modo in cui le particelle vengono prodotte dipenda dall'orientamento iniziale del fascio. Se la correlazione di spin cambia quando il fascio è polarizzato, ciò indicherebbe specifici meccanismi che coinvolgono la forza forte e che sono sensibili a questo allineamento. Se la correlazione rimane invariata, suggerirebbe che le particelle vengono create attraverso un meccanismo che ignora la direzione di spin iniziale, come la diretta materializzazione dal vuoto. Questa distinzione è vitale per comprendere le regole fondamentali che governano come la materia venga assemblata dall'energia.

Lo studio conclude che la proposta sperimentale non è solo fattibile, ma essenziale per colmare una lacuna nella nostra comprensione della meccanica quantistica nella fisica delle alte energie. Operando in un intervallo di energia che non è stato esplorato a fondo per questo specifico tipo di misurazione, lo Spin Physics Detector offre un'opportunità unica di osservare la transizione dall'entanglement quantistico al comportamento classico. Le simulazioni mostrano che il design del detector è ben adatto a catturare i dati necessari, con efficienze di ricostruzione che permettono un'analisi robusta delle correlazioni di spin. Se le previsioni saranno confermate, l'esperimento fornirà un test rigoroso di come l'informazione quantistica sopravviva al violento processo di adronizzazione, offrendo una nuova finestra sulla dinamica non perturbativa della forza forte e sulla natura stessa della realtà alle scale più piccole.