Charmonium production in p+A collisions at SPS and FAIR energies

Diep in het hart van de materie zijn protonen en neutronen geen solide, ondeelbare bollen, maar eerder bruisende steden van nog kleinere deeltjes die quarks en gluonen worden genoemd. Onder normale omstandigheden zijn deze deeltjes stevig aan elkaar gebonden en worden ze nooit alleen gezien. Echter, wanneer wetenschappers zware atoomkernen met ongelooflijke snelheden tegen elkaar aan laten botsen, creëren ze een vluchtige, superhete soep waarin deze deeltjes vrij ronddwalen. Deze staat van materie staat bekend als het quark-gluonplasma, een conditie die bestond vlak na de oerknal. Om te begrijpen hoe dit plasma zich gedraagt en hoe het overgaat naar gewone materie, zoeken natuurkundigen naar specifieke "boodschappers" die de reis door deze extreme omgeving kunnen overleven. Een van de belangrijkste boodschappers is een deeltje genaamd charmonium, een minuscuul, stevig gebonden paar bestaande uit een charm-quark en zijn antimaterie-partner. Omdat charmonium zo zwaar en compact is, fungeert het als een gevoelige sonde; als het verdwijnt of verandert terwijl het door de hete soep beweegt, vertelt het wetenschappers precies waar de soep uit bestaat en hoe dicht deze is.

De uitdaging ligt in het scheiden van de effecten van deze hete soep van de effecten van de koude, dichte nucleaire materie die zelfs al bestaat voordat de botsing plaatsvindt. Om dit te doen, hebben onderzoekers eerst een duidelijke basislijn nodig: ze moeten begrijpen hoe charmonium zich gedraagt wanneer het door gewone atoomkernen beweegt zonder de toegevoegde hitte van een plasma. Dit is de specifieke vraag die wordt behandeld in een nieuwe studie door een team van natuurkundigen dat werkt met gegevens van Europese versnellingsfaciliteiten. De onderzoekers gebruikten een geavanceerde computersimulatie genaamd de Parton–Hadron–String Dynamics-benadering om te modelleren hoe deze zware deeltjes ontstaan en bewegen. Ze richtten zich op botsingen tussen protonen en diverse atoomkernen, variërend van licht beryllium tot zwaar lood en goud, bij energieën die vergelijkbaar zijn met die in de Super Proton Synchrotron en de toekomstige FAIR-faciliteit in Duitsland.

Het werk van het team begon met het testen van hun simulatie tegen echte wereldgegevens van protonenbotsingen met lichte kernen. Ze ontdekten dat hun model nauwkeurig het aantal geproduceerde charmonium-deeltjes kon reproduceren wanneer de botsingsenergie werd ingesteld op 400 GeV. Dit succes gaf hen het vertrouwen om hetzelfde model te gebruiken om te onderzoeken wat er gebeurt wanneer het proton een veel zwaardere kern raakt, zoals lood. In deze zwaardere botsingen moet het charmonium-deeltje door een veel dikkere laag nucleaire materie reizen. De onderzoekers ontdekten dat om de experimentele gegevens te matchen, het charmonium met een specifieke waarschijnlijkheid moet worden "geabsorbeerd" of uit elkaar wordt gebroken door de omringende protonen en neutronen. Ze berekenden dat voor een standaard charmonium-deeltje deze absorptiekans overeenkomt met een doorsnede van 7 millibarn bij de hogere energie van 400 GeV. Interessant genoeg, toen ze de energie verlaagden naar 158 GeV, had het model een grotere absorptiewaarde van 10 millibarn nodig om de observaties te matchen. Dit suggereert dat bij lagere botsingssnelheden de nucleaire materie effectiever is in het afbreken van deze zware deeltjes.

Nadat zij deze basislijn voor gewone nucleaire materie hadden vastgesteld, keken het team vooruit naar de toekomst van de zware-ionenfysica. Ze breidden hun simulaties uit naar de lagere energieën die worden verwacht bij de FAIR-faciliteit, specifelijk kijkend naar botsingen tussen protonen en goudkernen bij 29 GeV. In deze omgeving, die rijk is aan baryonen (protonen en neutronen), voorspelden de onderzoekers de productiecijfers en de overlevingskansen van charmonium. Ze vonden dat hoewel de deeltjes nog steeds worden geproduceerd, hun overleving sterk afhangt van hun grootte en hoe ze interageren met het omringende medium. De studie beschouwde ook de invloed van andere deeltjes die tijdens de botsing worden gecreëerd, bekend als comovers, maar bepaalde dat hun effect in deze specifieke proton-kern-botsingen minder belangrijk is dan de directe absorptie door de kern.

Het uiteindelijke doel van dit werk is om een betrouwbaar referentiepunt te bieden voor toekomstige experimenten die zware kernen tegen elkaar aan zullen laten botsen om het quark-gluonplasma te creëren. Door precies te weten hoeveel charmonium verloren gaat door enkel door koude nucleaire materie te bewegen, kunnen wetenschappers beter identificeren hoeveel er verloren gaat door de extreme hitte van het plasma zelf. De onderzoekers hebben aangetoond dat hun methode, die dynamisch de vorming van deze deeltjes uit hun constituerende quarks modelleert, een consistente en kwantitatieve beschrijving van de gegevens biedt. Dit kader is nu klaar om te worden toegepast op de complexere botsingen van zware kernen, wat hels bij het in kaart brengen van de fasestructuur van de sterke kracht en het onthullen van hoe het universum transformeerde van een hete, vrij stromende soep naar de gestructureerde materie die we vandaag de dag zien.