Exploring QCD Matter through Energy Correlators of Soft Hadrons

Nel campo ad alta posta della fisica moderna, gli scienziati fanno scontrare nuclei atomici a velocità che si avvicinano alla velocità della luce per ricreare le condizioni esistenti appena frazioni di secondo dopo il Big Bang. Quando queste collisioni avvengono, i protoni e i neutroni che di solito compongono la materia si sciolgono in una densa e caldissima zuppa di particelle fondamentali note come quark e gluoni. Questo stato della materia, chiamato plasma di quark e gluoni, si comporta meno come un gas e più come un fluido quasi perfetto, espandendosi e raffreddandosi con un ritmo collettivo che i fisici chiamano "flusso". Per decenni, i ricercatori hanno studiato questo flusso tracciando l'ultimo spruzzo di particelle che emergono dalla collisione, cercando schemi che rivelino la forma dell'impatto iniziale e l'attrito interno del fluido. Tuttavia, man mano che gli esperimenti si sono spostati verso sistemi di collisione più piccoli, come lo scontro tra un singolo protone e un altro protone o un leggero nucleo di ossigeno, il quadro è diventato più torbido. In questi eventi più piccoli, i chiari schemi simili a un fluido sono più difficili da distinguere dalle interazioni casuali e caotiche che non hanno nulla a che fare con il flusso collettivo, lasciando gli scienziati incerti se la stessa fisica dei fluidi si applichi ai piccoli sistemi come avviene per le massicce collisioni di pesanti nuclei di piombo.

Un nuovo studio condotto da un team di ricercatori della Peking University, del Brookhaven National Laboratory e dell'Università del Paese Basco propone un nuovo modo per osservare queste collisioni, uno che separi il segnale del flusso collettivo dal rumore del caos casuale. Invece di limitarsi a contare le particelle che fuoriescono, il team suggerisce di misurare come l'energia di queste particelle sia distribuita l'una rispetto all'altra attraverso diverse angolazioni. Chiamano questa misurazione "correlatore energia-energia". Immaginate di scattare una fotografia al flusso di energia che esce dal punto di collisione e di chiedere quanta energia si trovi in un angolo specifico rispetto a un altro. Analizzando queste correlazioni, i ricercatori possono distinguere tra l'espansione fluida e coordinata di un fluido e i burst di energia irregolari e non coordinati che derivano da interazioni di particelle indipendenti. Questo approccio permette loro di sondare la stessa dinamica dei fluidi in sistemi piccoli che sono stati tradizionalmente troppo difficili da studiare.

I ricercatori hanno scomposto questa correlazione di energia in due parti distinte per capire cosa stesse guidando i modelli osservati. La prima parte è il contributo "disconnesso", che rappresenta il flusso di energia medio e fluido che ci si aspetterebbe se ogni particella si muovesse indipendentemente ma seguisse lo stesso schema di espansione generale. La seconda parte è il contributo "connesso", che cattura le correlazioni extra che esistono solo quando le particelle sono legate da qualcosa di più profondo rispetto al semplice flusso medio, come la spinta collettiva del fluido o specifiche interazioni microscopiche. Simulando le collisioni utilizzando sofisticati modelli informatici che imitano il comportamento dei veri fluidi e confrontandoli con modelli che simulano la produzione casuale di particelle, il team ha trovato una linea di demarcazione netta. Nei sistemi che si comportano come un fluido, la parte disconnessa e fluida domina il segnale, mentre le correlazioni connesse extra rimangono piccole. Al contrario, nei sistemi in cui il comportamento fluido è debole o assente, le correlazioni connesse diventano molto più significative, specialmente quando si osservano particelle che sono molto vicine tra loro in termini di angolo.

Per testare questa idea, il team ha eseguito simulazioni dettagliate di collisioni che vanno dai massicci scontri piombo-piombo alle collisioni molto più piccole ossigeno-ossigeno e protone-protone. Hanno utilizzato un modello che tratta i detriti della collisione come un fluido viscoso, simile al miele, che si espande e si raffredda secondo le leggi dell'idrodinamica. In queste simulazioni di fluidi, le correlazioni di energia erano spiegate quasi interamente dalla parte disconnessa e fluida, indipendentemente dalle dimensioni della collisione. I modelli del flusso, come le forme ellittiche o triangolari che il fluido assume durante l'espansione, erano chiaramente visibili negli armonici della distribuzione di energia, rispondendo esattamente come le misurazioni tradizionali del flusso alla forma iniziale della collisione e all'attrito interno del fluido. Ciò ha confermato che, per i sistemi fluidi, il flusso medio è il principale motore dei modelli di energia.

Quando i ricercatori hanno confrontato queste simulazioni di fluidi con un modello che genera particelle attraverso processi casuali e non fluidi, è emerso un quadro diverso. Nel modello casuale, la parte disconnessa e fluida dominava ancora quando si osservavano particelle distanti tra loro in angolo, ma man mano che l'angolo tra le particelle diminuiva, le correlazioni connesse crescevano rapidamente. Questo effetto era più pronunciato nei sistemi di collisione più piccoli, come le collisioni protone-protone, dove le interazioni casuali e non fluide sovrastavano il flusso collettivo. Lo studio ha dimostato che, in questi sistemi piccoli, la parte "connessa" della correlazione di energia funge da sensore sensibile per gli effetti di non-flusso che hanno a lungo confuso i fisici. Isolando questo contributo connesso, il nuovo metodo fornisce una finestra unica sul flusso collettivo anche nei piccoli sistemi, distinguendolo dal rumore di fondo della produzione casuale di particelle.

I risultati suggeriscono che i correlatori energia-energia possano servire come un potente nuovo strumento per comprendere il plasma di quark e gluoni in tutte le dimensioni di collisione. Nei grandi sistemi, il metodo conferma la natura fluida del plasma, mentre nei sistemi piccoli, offre un modo per misurare quanto del comportamento osservato sia realmente flusso collettivo e quanto sia solo caso casuale. I ricercatori propongono che questa tecnica possa essere applicata ai dati provenienti dai grandi acceleratori di particelle come il Large Hadron Collider e il Relativistic Heavy Ion Collider. Misurando queste correlazioni in esperimenti reali, gli scienziati potrebbero finalmente determinare se il comportamento simile a un fluido visto nelle massicce collisioni di piombo esista anche nelle minuscole e fugaci collisioni dei protoni. Ciò non solo chiarirebbe la natura dei sistemi più piccoli, ma approfondirebbe anche la comprensione di come le forze fondamentali della natura organizzino la materia in condizioni estreme, colmando il divario tra il mondo microscopico delle singole particelle e il comportamento macroscopico del fluido che esse creano.