Jet-like dihadron correlations in OO and Ne--Ne collisions at $\sqrt{s_{\rm NN}} = 5.36$ TeV with ALICE

Per decenni, i fisici hanno fatto scontrare pesanti nuclei atomici a velocità vicine a quella della luce per ricreare le condizioni dell'universo appena istanti dopo il Big Bang. In questi violenti urti, i protoni e i neutroni che di solito compongono i nuclei atomici si sciolgono, formando una zuppa calda e densa dei loro componenti fondamentali: quark e gluoni. Questo stato della materia è chiamato plasma di quark e gluoni. Gli scienziati credono da tempo che questo plasma si comporti come un fluido perfetto, fluendo ed espandendosi in modi che possono essere previsti dalle leggi dell'idrodinamica, proprio come l'acqua che scorre attraverso un tubo. Tuttavia, una scoperta sorprendente ha cambiato la conversazione. I ricercatori hanno scoperto che anche quando facevano scontrare particelle molto più piccole, come un singolo protone che colpisce un pesante nucleo di piombo, questo comportamento fluido appariva comunque. Ciò ha sollevato una domanda fondamentale: quanto può essere piccolo un sistema prima di smettere di comportarsi come un fluido? Per rispondere a questo, gli scienziati dovevano studiare collisioni più piccole rispetto ai massicci scontri tra nuclei di piombo, ma più grandi dei minuscoli urti tra protoni, colmando efficacemente il divario tra il noto e l'ignoto.

Per esplorare questo terreno intermedio, un team di ricercatori che utilizza il rivelatore ALICE al Large Hadron Collider ha rivolto la propria attenzione alle collisioni che coinvolgono nuclei atomici leggeri. Nello specifico, hanno esaminato le collisioni tra nuclei di ossigeno e nuclei di ossigeno, così come tra nuclei di neon e nuclei di neon. Questi non sono i giganti pesanti e lenti degli esperimenti precedenti, ma proiettili più leggeri e veloci. Il team ha registrato queste collisioni a un livello di energia di 5,36 trilioni di elettronvolt per coppia di nucleoni, una scala sufficientemente alta da poter potenzialmente creare la stessa materia calda e densa vista nei sistemi più grandi. Il loro obiettivo era vedere se le firme di un mezzo fluido-simile apparivano anche qui, e se, in caso affermativo, come si confrontassero con il comportamento ben compreso delle massicce collisioni di piombo. Si sono concentrati su un fenomeno specifico: cosa succede quando una particella ad alta velocità, nata dalla collisione, cerca di farsi strada attraverso questa potenziale zuppa di materia.

Nel mondo della fisica delle alte energie, quando due particelle collidono, spesso producono una coppia di particelle ad alta velocità che schizzano via in direzioni opposte. Gli scienziati chiamano questo fenomeno un "jet". Se la collisione avviene nel vuoto, queste due particelle volano via pulitamente, bilanciandosi a vicenda. Ma se la collisione avviene all'interno di un mezzo denso e fluido-simile, la particella che tenta di muoversi attraverso la zuppa perde energia, proprio come un corridore che cerca di scattare attraverso l'acqua profonda. Questa perdita di energia cambia il modello delle particelle che emergono. I ricercatori hanno cercato questi cambiamenti misurando la relazione tra le coppie di particelle prodotte nelle collisioni di ossigeno e neon. Si sono concentrati su due direzioni specifiche: il "lato vicino" (near side), dove le particoli volano fuori all'incirca nella stessa direzione del trigger iniziale, e il "lato opposto" (away side), dove le particelle volano nella direzione contraria. Confrontando il numero di particelle trovate in queste direzioni con quanto osservato nelle collisioni standard protone-protone, potevano determinare se il mezzo stesse interferendo con i percorsi delle particelle.

I risultati hanno rivelato un segnale sottile di interazione. Nelle collisioni di ossigeno, i ricercatori hanno scoperto che, a velocità inferiori, c'erano più particelle del previsto sia sul lato vicino che su quello opposto, suggerendo che l'ambiente stava aggiungendo attività extra al mix. Tuttavia, osservando particelle più veloci e ad alta energia, è emerso un modello distinto. Sul lato opposto al trigger iniziale, il numero di particelle è sceso significativamente al di sotto di quanto visto nelle collisioni standard di protone-protone. Questa soppressione è qualitativamente coerente con le interazioni jet-mezzo, suggerendo che le particelle che viaggiano nella direzione opposta stessero perdendo energia mentre si muovevano attraverso il mezzo creato dalla collisione. È un segno che i nuclei di ossigeno, nonostante siano molto più piccoli del piombo, erano capaci di creare un ambiente abbastanza denso da rallentare le particelle ad alta velocità. L'effetto non era forte quanto quello osservato nelle massicce collisioni di piombo, ma era presente, suggerendo che il comportamento fluido si estenda anche a questi sistemi più piccoli.

Interessantemente, i ricercatori hanno anche osservato che il cluster di particelle che volano nella stessa direzione del trigger diventava leggermente più ampio all'aumentare del numero di particelle nella collisione. Questo allargamento suggerisce che l'energia del jet venga ridistribuita, forse disperdendosi leggermente mentre interagisce con la materia circostante. Quando hanno confrontato questi risultati con le massicce collisioni di piombo, hanno trovato che il comportamento delle collisioni centrali di ossigeno era sorprendentemente simile ai bordi esterni delle collisioni di piombo. Questa somiglianza fornisce un collegamento cruciale, mostrando che la transizione da sistemi piccoli a grandi non è un salto improvviso ma un cambiamento graduale nel modo in cui la materia si comporta. I dati suggeriscono che anche in queste collisioni di ioni leggeri, il plasma di quark e gluoni si sta formando e sta interagendo con le particelle ad alta velocità che lo attraversano.

Tuttavia, la storia non è ancora del tutto completa. Sebbene la soppressione delle particelle sul lato opposto suggerisca fortemente la presenza di un mezzo fluido, i ricercatori avvertono che altri fattori potrebbero essere in gioco. Effetti legati allo stato iniziale dei nuclei o al modo in cui le collisioni vengono selezionate per lo studio potrebbero influenzare anche i risultati. Il team riconosce che l'entità in cui queste spiegazioni alternative contribuiscono alla soppressione osservata rimane una questione aperta, poiché non sono state affrontate in questa analisi. I risultati attuali sono una forte indicazione, un match qualitativo con quanto atteso se un mezzo fosse presente, ma non sono una prova definitiva. Il passo successivo per la comunità scientifica è combinare queste misurazioni con altri tipi di osservazioni, come la ricostruzione diretta dei percorsi dei jet stessi, per costruire un quadro più completo. Per ora, lo studio delle collisioni di ossigeno e neon ha aperto con successo una nuova finestra, mostrando che lo stato misterioso e fluido della materia creato nell'universo primordiale può esistere in sistemi molto più piccoli di quanto precedentemente ritenuto possibile.