Probing jet quenching via the correlation of groomed jet substructure observables in Pb$-$Pb and pp collisions
Questo studio della collaborazione ALICE riporta la prima misura della correlazione tra l'angolo di scissione del Soft Drop grooming e la frazione di condivisione del momento in collisioni Pb-Pb e pp a 5 TeV, rivelando che i jet nelle collisioni di ioni pesanti sono più stretti e potenzialmente meno bilanciati ad ampi angoli di apertura, un fenomeno descritto al meglio da modelli che incorporano gli scattering elastici come il modello HYBRID.
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Nel cuore della materia, dove le temperature salgono oltre qualsiasi cosa si possa trovare nelle stelle, protoni e neutroni perdono le loro identità individuali. Si dissolvono in una zuppa ribollente e ultra-calda dei loro costituenti più piccoli: quark e gluoni. Questo stato della materia, noto come plasma di quark e gluoni, esisteva solo frazioni di secondo dopo il Big Bang, ma gli scienziati possono ricrearlo oggi facendo scontrare nuclei atomici pesanti a velocità vicine a quella della luce. Quando questi urti avvengono, non producono solo una palla di fuoco uniforme; emettono anche spruzzi stretti e ad alta velocità di particelle chiamati jet. Questi jet sono come messaggeri del momento stesso dell'impatto, portando con sé informazioni sulle condizioni estreme in cui sono nati. Mentre corrono attraverso il plasma caldo, le particelle all'interno dei jet interagiscono con la zuppa circostante, perdendo energia e cambiando forma in un processo che i fisici chiamano "quenching dei jet" (smorzamento dei jet). Studiando come questi jet vengono alterati, i ricercatori sperano di comprendere le regole fondamentali che governano il modo in cui l'energia si muove attraverso questo stato esotico della materia.
Un team di scienziati che utilizza il rivelatore ALICE al Large Hadron Collider ha esaminato questo fenomeno con uno sguardo nuovo, analizzando la struttura interna di questi jet con una precisione senza precedenti. Invece di misurare semplicemente quanta energia perde un jet, si sono concentrati sul primissimo istante in cui una particella all'interno del jet si divide in due. Hanno osservato due caratteristiche specifiche di questa divisione: l'angolo in cui i due nuovi percorsi divergono e come la quantità di moto viene condivisa tra di essi. In termini semplici, si sono chiesti se i due nuovi percorsi volino via con un angolo ampio o stretto, e se trasportino quantità di energia uguali o se uno sia molto più forte dell'altro. Confrontando queste divisioni negli urti ordinari tra protoni con quelli negli urti tra nuclei pesanti di piombo, dove si forma il plasma di quark e gluoni, i ricercatori sono riusciti a isolare esattamente come il mezzo caldo influenzi il modo in cui le particelle si frammentano.
I ricercatori hanno analizzato milioni di eventi di collisione, concentrandosi su jet con un intervallo specifico di alta energia. Hanno utilizzato una tecnica di filtraggio sofisticata per eliminare il rumore morbido e ad ampio angolo che spesso oscura il segnale reale, permettendo loro di vedere le divisioni dure e pulite che definiscono il nucleo del jet. Nelle collisioni di nuclei di piombo, hanno scoperto che i jet erano sensibilmente più stretti rispetto a quelli negli urti ordinari tra protoni. Le particelle all'interno delle collisioni di piombo tendevano a stare più vicine tra loro, volando via ad angoli più piccoli. Questo effetto di restringimento era particolarmente forte per i jet in cui i due percorsi di divisione condividevano l'energia in modo uguale. Tuttavia, la storia era diversa per quanto riguarda il bilanciamento dell'energia stessa. Per i jet che si dividono ad un angolo molto ampio, c'era un indizio che la condivisione dell'energia diventasse meno equa nelle collisioni di piombo rispetto a quelle di protoni, suggerendo che i jet più larghi potrebbero perdere l'energia in modo più disomogeneo.
Per capire cosa stesse causando questi cambiamenti, il team ha confrontato i propri dati reali con diverse simulazioni al computer che modellano l'interazione dei jet con il plasma. Alcuni di questi modelli prevedevano che il mezzo caldo agisse come un fluido collettivo, creando una scia dietro il jet che ne altererebbe la struttura. I dati hanno mostrato che l'esperimento era ampiamente insensibile a questo tipo di risposta fluida, probabilmente perché i jet studiati erano così stretti e il filtraggio così rigoroso che questi effetti sottili venivano cancellati. Inveve, i risultati indicavano un meccanismo diverso: lo scattering elastico. Questo è un processo in cui le particelle nel jet rimbalzano contro le particelle del plasma, proprio come le collisioni tra palle da biliardo. I dati hanno suggerito che includere questi rimbalzi nei modelli fosse necessario per spiegare perché i jet ad ampio angolo nelle collisioni di piombo apparissero meno bilanciati nella loro condivisione dell'energia.
Le scoperte offrono un quadro più chiaro di come si comportano diversi tipi di jet in calore estremo. Mentre il restringimento dei jet è stata un'osservazione chiara e costante in tutti i casi, i cambiamenti nel modo in cui l'energia veniva condivisa dipendevano fortemente dall'angolo di divisione. I jet stretti sembravano sopravvivere al viaggio attraverso il plasma con il loro equilibrio interno ampiamente intatto, mentre i jet più larghi mostravano segni di essere stati disturbati in modo più significativo. Questa distinzione aiuta gli scienziati a separare gli effetti del mezzo da altri fattori, come il semplice fatto che i jet più larghi sono più propensi a perdere così tanta energia da scomparire completamente dal rivelatore. Lo studio conferma che, sebbene il plasma rimodelli i jet, il modo specifico in cui lo fa dipende dalla geometria del jet stesso. Scorticando gli strati di questi spruzzi di particelle, i ricercatori hanno fornito una nuova, dettagliata visione delle forze in gioco nei primi momenti dell'universo, mostrando che anche in una zuppa caotica e super-calda, le regole dell'interazione tra particelle lasciano una firma distinta e misurabile.
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