ALP photo-production in the parton and hadron cascade model PACIAE

Nel profondo del tessuto dell'universo, i fisici sospettano che esistano particelle nascoste che potrebbero risolvere alcuni dei più ostinati misteri della natura. Tra questi potenziali candidati figurano le particelle simili ad assioni, entità spettrali che potrebbero spiegare perché l'universo si comporta come lo fa e potrebbero persino costituire la materia oscura invisibile che tiene insieme le galassie. Sebbene queste particelle non siano mai state viste direttamente, gli scienziati sanno che, se esistono, dovrebbero essere in grado di trasformarsi in coppie di particelle luminose, note come fotoni, e viceversa. Questa possibilità teorica ha spinto i ricercatori a cercarle nelle collisioni ad alta energia, sperando di cogliere un accenno della loro creazione o del loro decadimento. La sfida risiede nel fatto che queste particelle sono elusive, e i loro segnali sono spesso sepolti sotto una tempesta caotica di altri detriti subatomici prodotti nelle stesse collisioni.

Per esplorare questa possibilità, un team di ricercatori si è rivolto a una potente simulazione al computer per ricreare le condizioni di uno scontro massiccio tra particelle. Si sono concentrati sulle collisioni tra nuclei d'oro, scagliandoli l'uno contro l'altro a un livello di energia di 200 GeV, una velocità e una forza paragonabili a ciò che accade negli esperimenti più intensi condotti nei principali acceleratori di particelle. Il team ha utilizzato un sofisticato modello digitale chiamato PACIAE per simulare cinque milioni di queste collisioni. Questo modello funge da laboratorio virtuale, tracciando come i blocchi fondamentali della materia, noti come partoni, si diffondono e interagiscono prima di stabilizzarsi in una nuvola finale di particelle stabili. In questo seguito simulato, i ricercatori hanno trovato un numero vastissimo di fotoni, le particelle della luce, dispersi tra i detriti.

Il nucleo di questo studio è consistito in un nuovo metodo per vedere se questi fotoni dispersi potessero essere riassemblati nelle particelle simili ad assioni nascoste. I ricercatori hanno applicato un approccio statistico, cercando coppie di fotoni nei loro dati simulati che fossero abbastanza vicini in termini di energia e direzione da poter potenzialmente fondersi nuovamente in una singola particella simile ad assione. Hanno stabilito regole specifiche per questo processo di fusione, concentrandosi su coppie in cui l'energia combinata fosse inferiore a due volte la massa di un tipo specifico di particella chiamata kaone. Applicando un fattore di probabilità basato sulla frequenza con cui tale trasformazione è prevista che avvenga, sono stati in grado di contare quanti di questi particelle nascoste potrebbero essersi formate nelle loro collisioni virtuali. Questa è stata la prima volta che questa specifica tecnica di ricombinazione di fotoni da uno stato adronico in particelle simili ad assioni è stata tentata in questo modo.

I risultati di queste simulazioni hanno fornito un quadro chiaro di cosa aspettarsi se queste particelle vengono effettivamente create. I ricercatori hanno calcolato quanti assioni-simili apparirebbero per diverse masse, spaziando da valori molto leggeri a valori più pesanti negli intervalli MeV e GeV. Hanno scoperto che all'aumentare della massa della particella, il numero di particelle prodotte diminuisce significativamente. Per la massa più leggera testata, la simulazione ha previsto una resa di quasi 28 particelle nell'intero intervallo di possibili esiti, mentre per la massa più pesante, questo numero è sceso a poco più di tre. Il team ha anche mappato il modo in cui queste particelle si muovono e dove appaiono nella zona di collisione. Hanno scoperto che il modo in cui le particelle si diffondono lateralmente non cambia molto indipendentemente dalla loro massa, ma il numero complessivo di particelle diminuisce man mano che la massa aumenta. Inoltre, la diffusione delle particelle lungo la direzione del fascio di collisione si restringe all'aumentare della massa, creando un gruppo più compatto per le particelle più pesanti.

Queste scoperte offrono un insieme concreto di previsioni da testare per gli sperimentali. I ricercatori hanno fornito numeri specifici su quanti di queste particelle dovrebbero essere visti, quanto velocemente dovrebbero muoversi e dove dovrebbero trovarsi all'interno dei detriti di collisione. Sebbene lo studio stesso sia una simulazione e non un'osservazione diretta, esso stabilisce una linea di base per ciò che un esperimento reale dovrebbe cercare. Gli autori suggeriscono che indagini future potrebbero utilizzare queste previsioni per cercare le particelle in dati reali provenienti da collisioni tra ioni pesanti. Pianificano inoltre di espandere il loro lavoro in futuro esaminando come i gluoni, un altro tipo di particella fondamentale, possano contribuire alla creazione di queste particelle simili ad assioni, e come questo processo possa essere collegato alle transizioni di fase della materia avvenute nell'universo primordiale. Per ora, il lavoro rappresenta una dettagliata mappa teorica, che guida la ricerca di una particella che rimane una delle possibilità più intriganti della fisica moderna.