Centrality dependence of strange particle production in Pb-Pb collisions at $\sqrt{s_{\rm NN}} = 5.02$ TeV

Om de werkelijkheid van het universum op zijn meest fundamentele niveau te begrijpen, bestuderen natuurkundigen wat er gebeurt wanneer materie met zulke kracht wordt samengeperst dat de bouwstenen van atomen zelf oplossen. Onder normale omstandigheden zijn protonen en neutronen gemaakt van kleinere deeltjes die quarks worden genoemd, die zo stevig aan elkaar zijn geplakt dat ze niet op zichzelf kunnen bestaan. Echter, als er genoeg energie in een minuscule ruimte wordt geconcentreerd, smelt deze lijm weg. De quarks en de deeltjes die de kracht tussen hen dragen, genaamd gluonen, breken vrij en vormen een nieuwe fase van materie die bekend staat als het quark-gluonplasma. Men gelooft dat deze toestand slechts een fractie van een seconde heeft bestaan vlak na de oerknal. Wetenschappers recreëren deze extreme omgeving door zware atoomkernen met bijna de snelheid van het licht tegen elkaar aan te laten botsen. Door te observeren welke deeltjes voortkomen uit deze botsingen, kunnen onderzoekers leren hoe deze oer-soep zich gedraagt, hoe deze afkoelt en hoe deze uiteindelijk weer samenklit tot de materie die vandaag de dag onze wereld vormt.

Een cruciale vraag in dit vakgebied is hoe vreemde deeltjes worden gecreëerd in dit plasma. In de standaardwereld van atomen zijn deeltjes die vreemde quarks bevatten zeldzaam en moeilijk te produceren. Maar in de hete, dichte omgeving van het quark-gluonplasma suggereert de theorie dat vreemde quarks veel gemakkelijker en in grotere aantallen moeten worden gecreëerd dan in gewone botsingen. Dit fenomeen, bekend als strangeness enhancement (vreemdheid-versterking), is een kenmerk waar wetenschappers naar hebben gezocht om te bewijzen dat deze speciale fase van materie is gevormd. Jarenlang hebben onderzoekers dit effect gezien in grote botsingen tussen zware kernen, maar het verhaal werd ingewikkelder toen ze begonnen te kijken naar kleinere botsingen, zoals die tussen een enkel proton en een zware kern. Verrassend genoeg verschenen vreemde deeltjes ook in deze kleinere botsingen, mits de botsing heftig genoeg was. Dit riep een nieuwe vraag op: wordt de creatie van deze deeltjes gedreven door de grootte van de botsende objecten, of wordt het simpelweg gedreven door hoeveel deeltjes er in de botsing worden geproduceerd, ongeacht de grootte?

Om dit te beantwoorden, analyseerde de ALICE-collaboratie bij de Large Hadron Collider in Europa een enorme collectie gegevens van lood-loodbotsingen. Deze botsingen vonden plaats bij een energie van 5,02 TeV per nucleonenpaar, een recordhoogte voor de tweede grote operationele ronde van de collider tussen 2015 en 2018. Het team richtte zich op een specifieke familie deeltjes: die die vreemde quarks bevatten. Ze keken naar enkelvoudige vreemde deeltjes zoals het neutrale kaon en het lambda-baryon, evenals naar multi-vreemde deeltjes zoals de cascade en de omega, die respectievelijk twee of drie vreemde quarks bevatten. Door gebruik te maken van de volledige dataset van de run, die 280 miljoen botsingsgebeurtenissen omvatte, konden de onderzoekers deze deeltjes met ongekende precisie meten over een breed scala aan botsings-"centraliteit". Centraliteit beschrijft hoe frontaal de botsing is; een centrale botsing is een directe, frontale botsing, terwijl een perifere botsing meer een schampende klap is. Dit stelde het team in staat om te zien hoe de deeltjesproductie verandert naarmate de geweldadigheid van de botsing varieert van het meest extreme tot het meest milde.

De onderzoekers ontdekten dat het gedrag van deze vreemde deeltjes drastisch verandert afhankelijk van hoe centraal de botsing is. In de meest geweldige, centrale botsingen verschijnen de deeltjes met hogere gemiddelde snelheden en een bredere spreiding van momentum dan in de zachtere, perifere botsingen. Dit suggereert dat de materie die in de meest energetische botsingen wordt gecreëerd, naar buiten toe expandeert met een sterke collectieve duw, net zoals een vloeistof die wordt samengeperst. Wanneer ze naar de ratio van vreemde baryonen tot vreemde mesonen keken, zagen ze een duidelijke piek bij intermediaire snelheden. Deze piek was veel hoger en verschoven naar hogere snelheden in centrale botsingen vergeleken met perifere botsingen. Dit patroon komt overeen met het idee dat de hete, dichte materie zich gedraagt als een vloeistof die zwaardere baryonen effectiever naar hogere snelheden duwt dan lichtere mesonen.

Misschien wel de meest significante bevinding was hoe deze resultaten verbonden waren met kleinere botsingssystemen. Het team vergeleek hun lood-loodgegevens met eerdere resultaten van proton-proton en proton-kern botsingen. Ze ontdekten dat wanneer ze de productie van vreemde deeltjes uitzetten tegen het totaal aantal gecreëerde geladen deeltjes in de gebeurtenis, de gegevens van alle drie de botsingstypes op één enkele, vloeiende curve vielen. Of de botsing nu plaatsvond tussen twee zware kernen, een proton en een kern, of twee protonen, de productie van vreemde deeltjes hing bijna volledig af van de totale activiteit van de gebeurtenis, en niet van de grootte of het type van de botsende objecten. Deze vloeiende verbinding suggereert dat het mechanisme dat de creatie van deze deeltjes aandrijft, universeel is. Het impliceert dat zodra een bepaald niveau van activiteit wordt bereikt, het systeem vergelijkbaar reageert, ongeacht of het gevormd is door een kleine of een grote botsing.

De studie testte ook een specifiek computermodel genaamd EPOS 4, dat probeert de complexe fysica van deze botsingen te simuleren. Het model reproduceerde succesvol de algemene trends die in de gegevens werden gezien, inclusclusief de manier waarop de deeltjessnelheden veranderden met de centraliteit van de botsing en het algemene patroon van de vreemde deeltjesproductie. Het model kwam echter niet in elk detail perfect overeen met de gegevens. Het had de neiging om iets lagere snelheden voor de deeltjes te voorspellen dan wat daadwerkelijk werd gemeten, en het overschatte de sterkte van de vreemde deeltjespiek in minder geweldige botsingen. Ondanks deze kleine discrepanties, biedt het feit dat het model de brede kenmerken van de gegevens kon vatten, sterke steun voor het huidige begrip van hoe deze systemen evolueren.

Uiteindelijk bevestigt dit werk dat de productie van vreemde deeltjes wordt beheerst door de dichtheid van de botsing in plaats van de geometrie van de botsende objecten. De versterking van vreemde deeltjes, ooit gedacht een uniek kenmerk te zijn van het quark-gluonplasma in grote kernen, lijkt een algemener fenomeen te zijn dat optreedt wanneer er genoeg energie wordt geconcentreerd om een hoge dichtheid van deeltjes te creëren. De resultaten tonen aan dat de overgang van kleine naar grote botsingssystemen naadloos is, zonder plotselinge sprongen of breuken in het gedrag van de deeltjes. Dit biedt een robuuste test voor theoretische modellen en verdiept het begrip van hoe materie zich gedraagt onder de meest extreme omstandigheden in het universum. De bevindingen suggereren dat de regels die de creatie van deze exotische deeltjes beheersen consistent zijn over verschillende schalen, wat een duidelijker beeld geeft van de fundamentele krachten die in de eerste momenten van het universum aan het werk waren.