Multiplicity dependence of K$^*(892)^{\pm}$ production in pp collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

In het hart van de Large Hadron Collider, waar protonen tegen elkaar botsen met snelheden die de lichtsnelheid benaderen, proberen natuurkundigen te begrijpen hoe het universum zichzelf van onderaf opbouwt. Wanneer deze minuscule deeltjes botsen, creëren ze een vluchtige, superhete soep van fundamentele bouwstenen die quarks en gluonen worden genoemd. Terwijl deze soep afkoelt, stolt deze tot de stabiele deeltjes die de wereld om ons heen vormen, zoals protonen en neutronen. De overgang van deze hete soep naar vaste materie is echter niet instantaan. Er is een korte, chaotische tussenfase waarin deeltjes tegen elkaar aan botsen, energie uitwisselen en van richting veranderen voordat ze zich uiteindelijk settelen. Om deze tussenfase te bestudelen, zoeken wetenschappers naar specifieke, kortlevende deeltjes die als boodschappers fungeren. Deze boodschappers worden geboren, reizen een fractie van een seconde en vervallen vervolgens in andere deeltjes. Door te meten hoeveel van deze boodschappers de reis overleven, kunnen onderzoekers afleiden hoe lang de chaotische tussenfase duurde en hoe druk het er was.

Een onderzoeker die gebruikmaakt van de ALICE-detector bij CERN heeft nu een nauwkeuriger naar een dergelijke boodschapper gekeken, een deeltje dat bekend staat als de K-ster, in botsingen tussen protonen. Hoewel protonen veel kleiner zijn dan de zware atoomkernen die gewoonlijk in deze experimenten worden verbrijzeld, suggereren recente waarnemingen dat zelfs in deze kleine botsingen een vergelijkbare, zij het kleinere, versie van die hete soep gevormd kan worden. Het team richtte zich op de vraag hoe de productie van deze K-ster deeltjes verandert wanneer de botsingen drukker zijn versus wanneer ze minder druk zijn. Ze ontdekten dat in de drukste protonbotsingen het aantal van deze kortlevende boodschappers aanzienlijk afneemt vergeleken met een stabieler deeltje genaamd de K-nul. Deze daling is een sterk signaal dat de vervalproducten van de K-ster worden verstrooid door andere deeltjes in de botsingszone, wat voorkomt dat de K-ster later wordt gereconstrueerd. Deze observatie levert het eerste duidelijke bewijs voor een significante onderdrukking van de K-ster tot K-nul ratio in kleine botsingssystemen, een bevinding die bijdraagt aan het lopende onderzoek naar de vraag of dergelijk complex gedrag, dat gewoonlijk geassocieerd wordt met massieve zware-ionenbotsingen, ook in kleinere systemen kan voorkomen.

De onderzoeker analyseerde gegevens van miljarden protonbotsingen die plaatsvonden bij een centrum-van-massa energie van 13 tera-elektronvolt. Deze gebeurtenissen werden gesorteerd in verschillende groepen op basis van het aantal geproduceerde geladen deeltjes, variërend van ijle botsingen met zeer weinig deeltjes tot extreem drukke botsingen met veel deeltjes. Voor elke groep reconstrueerden ze de K-ster deeltjes door te kijken naar hun vervalproducten: een geladen pion en een neutrale K-nul. Omdat de K-ster zo kort leeft, kan deze niet direct worden gezien; in plaats daarvan moest de wetenschapper deze weer in elkaar zetten vanuit de sporen die de 'kinderen' hebben achtergelaten. Ze maten ook de productie van de stabiele K-nul deeltjes in dezelfde gebeurtenissen om als referentiepunt te dienen. Door de ratio van de K-sters tot de K-zeren over de verschillende niveaus van drukte te vergelijken, konden ze zien hoe de omgeving de kortlevende deeltjes beïnvloedde.

De resultaten toonden een duidelijke en dramatische trend. Naarmate de botsingen drukker werden, nam de ratio van K-ster naar K-nul af. In de meest drukke gebeurtenissen was deze ratio aanzienlijk lager dan in de minst drukke gebeurtenissen. De onderzoeker berekende dat deze daling geen willekeurige fluctuatie was, maar een echt fysiek effect, met een statistische zekerheid die overeenkomt met een 7σ significantieniveau, wat betekent dat de kans dat dit bij toeval gebeurt verwaarloosbaar klein is. Deze onderdrukking van het K-ster signaal suggereert dat in de drukke gebeurtenissen de vervalproducten van de K-ster botsen met andere deeltjes in het medium voordat de K-ster geïdentificeerd kan worden. Deze botsingen verstoren de informatie die nodig is om het oorspronkelijke deeltje te reconstrueren, waardoor het effectief verborgen blijft voor de detectoren. Dit proces staat bekend als rescattering (herverstrooiing). Het feit dat dit gebeurt in protonbotsingen impliceert dat zelfs in deze kleine systemen er een omgeving dicht genoeg is voor deze interacties, wat een kortstondige hadronische fase creëert waarin deeltjes sterk met elkaar interageren.

Om te begrijpen of dit een nieuwe ontdekking was of slechts een bekend effect, vergeleek de onderzoeker de bevindingen met verschillende computermodellen die gebruikt worden om deeltjesbotsingen te simuleren. Sommige van deze modellen, die steunen op standaardtheorieën over hoe deeltjes interageren, voorspelden dat de ratio relatief vlak zou blijven of de waarden bij hoge multipliciteit zouden overschatten, waardoor ze de waargenomen daling niet konden verklaren. Deze modellen slaagden er niet in om de data te matchen. Echter, een model genaamd EPOS-LHC, dat een mechanisme bevat waarbij snaren van energie overlappen en interageren in een dichte kern, reproduceerde de waargenomen daling succesvol. Dit model vereist geen speciale "afterburner" om de latere stadia van deeltjesinteracties te simuleren; de onderdrukking komt natuurlijk voort uit de manier waarop het model de dichte kern van de botsing behandelt. Dit suggerek de dat de onderdrukking een natuurlijk gevolg is van de hoge dichtheid van deeltjes in de botsingszone.

De onderzoeker keek ook naar hoe dit effect veranderde met de snelheid van de deeltjes. Ze vonden dat de onderdrukking het sterkst was voor deeltjes die langzaam bewegen. Snel bewegende deeltjes werden minder beïnvloed, waarschijnlijk omdat ze te snel door het dichte medium razen om verstrooid te worden. Dit detail sluit aan bij het idee dat het rescattering-proces tijd kost; langzame deeltjes brengen meer tijd door in de drukke omgeving, waardoor ze meer kansen krijgen om met anderen te botsen en hun identiteit te verliezen. De onderzoeker merkte ook op dat terwijl het totale aantal geproduceerde deeltjes toenam met de dichtheid van de botsing, de gemiddelde snelheid van de deeltjes ook toenam, een fenomeen dat vaak wordt gezien in grotere zware-ionenbotsingen en meestal wordt toegeschreven aan een collectieve expansie van het systeem.

Deze studie vormt een belangrijke stap voorwaarts in het begrijpen van de aard van materie die wordt gecreëerd in hoogenergetische botsingen. Door de duidelijke onderdrukking van kortlevende resonanties in proton-protonbotsingen aan te tonen, heeft de ALICE-collaboratie sterk bewijs geleverd dat het complexe, fluïde gedrag van materie niet exclusief is voor de massieve botsingen van zware atoomkernen. De resultaten suggereren dat zelfs in de kleinste botsingssystemen een dichte, interagerende fase van materie kan ontstaan, die net lang genoeg duurt om de vervalproducten van onstabiele deeltjes te verstrooien. Hoewel de gegevens de aanwezigheid van deze fase sterk ondersteunen, erkent de onderzoeker dat de exacte aard van het medium en de duur van deze fase nog steeds onderwerp zijn van voortdurend onderzoek. Het vermogen van bepaalde computermodellen om deze resultaten te reproduceren zonder expliciet een hadronische fase toe te voegen, geeft aan dat de onderliggende fysica complex is, en de vraag of er in deze kleine systemen een echte quark-gluonplasma wordt gevormd, blijft open. Desalniettemin biedt de observatie van deze onderdrukking met een dergelijk hoog niveau van zekerheid een nieuwe, precieze tool om de vroegste momenten van de creatie van materie in het universum te onderzoeken.