Centrality dependence of charged-particle pseudorapidity density at midrapidity in Pb-Pb collisions at $\mathbf{\sqrt{\textit{s}_{\rm NN}} = 5.36}$ TeV

In het hart van de materie, waar atomen worden ontdaan van hun schillen en protonen en neutronen gedwongen worden om te botsen, ligt een staat van bestaan die niet eerder is gezien sinds de eerste momenten van het universum. Wanneer zware atoomkernen tegen elkaar botsen met snelheden die de lichtsnelheid benaderen, creëren ze een kleine, vluchtige druppel van superheet fluïdum dat bekend staat als een quark-gluonplasma. In deze extreme omgeving smelten de fundamentele bouwstenen van materie, die normaal gesproken stevig opgesloten zitten in protonen en neutronen, vrij en dwalen zij samen rond. Natuurkundigen bestuderen deze botsingen om te begrijpen hoe het universum afkoelde en de structuur vormde die we vandaag de dag zien. Om dit te doen, moeten ze de deeltjes tellen die uit de botsing vliegen. Het aantal geproduceerde deeltjes vertelt hen hoeveel energie er in de botsing was gepakt en hoe de materie zich gedroeg in die eerste momenten. Het is een manier om de grootte en vorm van de vuurbal te meten die door de impact wordt gecreëerd.

Een team wetenschappers dat werkt met de ALICE-detector bij de Large Hadron Collider heeft nu een frisse blik geworpen op deze botsingen met behulp van een nieuw opgegradeerde machine. Ze lieten loodkernen op een recordhoog energieniveau op elkaar botsen, waardoor een systeem werd gecreëerd dat zo dicht is dat het een volledige herziening vereiste van het vermogen van de detector om het bij te houden. De onderzoekers concentreerden zich op het tellen van de geladen deeltjes die uit het centrum van de botsing tevoorschijn kwamen. Door miljarden van deze gebeurtenissen te analyseren, brachten ze nauwkeurig in kaart hoeveel deeltjes er worden geproduceerd, afhankelijk van hoe frontaal de botsing was. Hun werk bevestigt dat de regels die deze kleine explosies beheersen ook bij deze nieuwe, hogere energieën standhouden, terwijl het ook onthult dat de hoeveelheid materie die wordt gecreëerd sneller groeit in deze zware botsingen dan in botsingen tussen enkele protonen.

Het experiment vond plaats in 2023, toen de Large Hadron Collider draaide met loodionen bij een centrum-van-massa energie per nucleonenpaar van 5,36 tera-elektronvolt. Dit is de hoogste energie die ooit is bereikt voor dergelijke zwaarte-ionenbotsingen. Om de gegevens te vangen, vertrouwde het ALICE-team op twee belangrijke upgrades die werden geïnstalleerd tijdens een lange stilstand van de versneller. De eerste was een nieuw intern trackingsysteem bestaande uit lagen van zeer gevoelige siliciumsensoren, en de tweede was een grote herziening van de grote tijdprojectiecamera, die fungeert als een gigantische 3D-camera voor de deeltjes. In tegen tegenstelling tot eerdere runs waarbij de detector wachtte op een signaal om de opname te starten, werkt het nieuwe systeem in een continue modus, waarbij gegevens non-stop worden gelezen. Dit was noodzakelijk omdat de botsingen zo frequent plaatsvonden dat de detector de meeste van hen zou hebben gemist als hij tussen gebeurtenissen door zou moeten pauzeren. Het team moest nieuwe software ontwikkelen om de continue stroom informatie te sorteren en elk deeltjestraject te koppelen aan de juiste botsingsvertex.

De onderzoekers analyseerden een steekproef van 1,1 miljard minimum-bias botsingen, die alle soorten impacts omvat van zijdelingse botsingen tot directe klappen. Ze sorteerden deze gebeurtenissen in tien groepen op basis van hoe centraal de botsing was, waarbij ze signalen van voorwaartse detectoren gebruikten om te schatten hoeveel nucleonen uit de twee loodkernen daadwerkelijk met elkaar interacteerden. Voor de meest centrale botsingen, waarbij de kernen bijna recht in het midden botsen, vonden het team dat het gemiddelde aantal geladen deeltjes geproduceerd bij het centrum van de botsing 2.010 was, met een kleine foutmarge. Naarmate de botsingen meer perifeer, of zijdelings, werden, daalde het aantal deeltjes aanzienlijk, tot ongeveer 21,5 voor de meest grazende impacts. Deze variatie stelde de wetenschappers in staat om te bestuderen hoe de geometrie van de botsing de productie van materie beïnvloedt.

Om deze getallen betekenis te geven, vergeleken het team het deeltjestotaal met het aantal participerende nucleonen, wat het totaal aantal protonen en neutronen vertegenwoordigt dat deelnam aan de botsing. Ze ontdekten dat wanneer ze de gegevens normaliseerden door het deeltjestotaal te delen door het aantal participerende nucleonenparen, het resultaat 10,5 was voor de meest centrale botsingen. Deze waarde is ongeveer 4 procent hoger dan wat werd gemeten in vergelijkbare botsingen bij een iets lagere energie van 5,02 tera-elektronvolt. Deze toename volgt een voorspelbare trend die eerder is gezien in experimenten bij lagere energieën, wat bevestigt dat de productie van deeltjes in zware-ionenbotsingen op een specifieke manier schaalt met energie. De snelheid waarmee de deeltjesproductie toeneemt met de energie is sneller in deze zware loodbotsingen dan in botsingen tussen enkele protonen, wat suggereert dat het collectieve gedrag van de vele nucleonen een cruciale rol speelt.

Het artikel testte ook verschillende theoretische modellen die proberen te beschrijven hoe deze deeltjes worden gevormd. Sommige modellen gaan ervan uit dat de materie een fluïdum vormt dat expandeert en afkoelt volgens de wetten van de hydrodynamica, terwijl andere de botsing behandelen als een reeks individuele interacties tussen nucleonen zonder enig collectief fluïdumgedrag. De gegevens toonden aan dat hoewel sommige van deze modellen de algemene vorm van de resultaten konden vatten, ze allemaal systematisch het werkelijke aantal geproduceerde deeltjes onderschatten over het hele bereik van de botsingscentraliteit. Eén model dat een simulatie bevatte van hoe deeltjes interageren na de initiële botsing, kwam dichter bij het beschrijven van de gegevens voor de meest centrale botsingen, maar geen enkel model slaagde erin de resultaten voor alle typen botsingen succesvol te reproduceren. Dit geeft aan dat ons huidige begrip van de mechanismen die de deeltjesproductie onder deze extreme omstandigheden aansturen, nog steeds incompleet is.

De bevindingen dienen als een belangrijke validatie van de geüpgradede ALICE-detector en haar nieuwe continue uitleesmogelijkheden. Het vermogen om miljarden gebeurtenissen met hoge precisie te reconstrueren, demonstreert dat de nieuwe hardware en softwareframework de extreme omstandigheden van de huidige run van de Large Hadron Collider aankunnen. Door een nauwkeurige meting te geven van de deeltjesproductie bij de hoogst ooit bereikte energie, vormt deze studie een nieuw referentiepunt voor toekomstig onderzoek. Het bevestigt dat de fundamentele trends waargenomen in het quark-gluonplasma robuust zijn, zelfs wanneer de energie van de botsingen toeneemt, en benadrukt de noodzaak voor meer geavanceerde theoretische instrumenten om de complexe dynamica van deze subatomaire explosies volledig te verklaren.