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

Al decennia lang hebben natuurkundigen zware atoomkernen tegen elkaar aan geslagen met bijna de snelheid van het licht om de omstandigheden te recreëren die heersten in het universum kort na de oerknal. In deze gewelddadige botsingen smelten de protonen en neutronen die normaal gesproken de atoomkernen vormen weg, waardoor een hete, dichte soep van hun fundamentele bouwstenen ontstaat: quarks en gluonen. Deze staat van materie wordt het quark-gluonplasma genoemd. Wetenschappers geloven al lang dat dit plasma zich gedraagt als een perfecte vloeistof, die stroomt en expandeert op manieren die voorspeld kunnen worden door de wetten van de hydrodynamica, vergelijkbaar met water dat door een pijp stroomt. Echter, een verwarrende ontdekking veranderde het gesprek. Onderzoekers ontdekten dat zelfs wanneer ze veel kleinere deeltjes tegen elkaar aan sloegen, zoals een enkel proton dat een zwaar loodkern raakt, dit vloeistofachtige gedrag nog steeds leek op te treden. Dit riep een fundamentele vraag op: hoe klein kan een systeem zijn voordat het stopt met zich als een vloeistof te gedragen? Om dit te beantwoorden, moesten wetenschappers botsingen bestuderen die kleiner waren dan de enorme lood-op-loed crashes, maar groter dan de piepkleine proton-botsingen, om zo de kloof tussen het bekende en het onbekende te overbruggen.

Om dit middengebied te verkennen, richtte een team van onderzoekers die gebruikmaken van de ALICE-detector bij de Large Hadron Collider hun aandacht op botsingen waarbij lichte atoomkernen betrokken zijn. Specifiek keken ze naar botsingen tussen zuurstofkernen en zuurstofkernen, evenals tussen neonkernen en neonkernen. Dit zijn niet de zware, traag bewegende reuzen van eerdere experimenten, maar lichtere, sneller bewegende projectielen. Het team registreerde deze botsingen op een energieniveau van 5,36 biljoen elektronvolt per nucleonpaar, een schaal die hoog genoeg is om potentieel dezelfde hete, dichte materie te creëren als die in grotere systemen. Hun doel was om te zien of de kenmerken van een vloeistofachtig medium hier zouden verschijnen, en zo ja, hoe deze vergeleken zouden worden met het goed begrepen gedrag van de massieve loodbotsingen. Ze concentreerden zich op een specifiek fenomeen: wat er gebeurt wanneer een hoogsnelheidsdeeltje, geboren uit de botsing, probeert zich een weg te banen door deze potentiële soep van materie.

In de wereld van de hogerectorische fysica, wanneer twee deeltjes botsen, produceren ze vaak een paar hoogsnelheidsdeeltjes die in tegengestelde richtingen wegvliegen. Wetenschappers noemen dit een "jet". Als de botsing in een vacuüm plaatsvindt, vliegen deze twee deeltjes er schoon vanaf en balanceren ze elkaar uit. Maar als de botsing plaatsvindt in een dicht, vloeistofachtig medium, verliest het deeltje dat door de soep probeert te bewegen energie, vergelijkbaar met een hardloper die probeert te sprinten door diep water. Deze energieverlies verandigt het patroon van de deeltjes die tevoorschijn komen. De onderzoekers zochten naar deze veranderingen door de relatie tussen paren deeltjes te meten die worden geproduceerd in de zuurstof- en neonbotsingen. Ze concentreerden zich op twee specifieke richtingen: de "near side" (nabije zijde), waar deeltjes ongeveer in dezelfde richting wegvliegen als de initiële trigger, en de "away side" (verre zijde), waar deeltjes in de tegenovergestelde richting wegvliegen. Door het aantal deeltjes in deze richtingen te vergelijken met wat wordt gezien in standaard proton-protonbotsingen, konden ze bepalen of het medium de paden van de deeltjes verstoorde.

De resultaten onthulden een subtiel signaal van interactie. In de zuurstofbotsingen vonden de onderzoekers, bij lagere snelheden, meer deeltjes dan verwacht aan zowel de nabije als de verre zijde, wat suggereert dat de omgeving extra activiteit aan de mix toevoegde. Echter, toen ze naar snellere, hogere-energie deeltjes keken, kwam er een duidelijk patroon naar voren. Aan de zijde tegenover de initiële trigger daalde het aantal deeltjes aanzienlijk onder wat werd gezien in de standaard proton-botsingen. Deze onderdrukking is kwalitatief consistent met jet-medium interacties, wat suggereert dat de deeltjes die in de tegenovergestelde richting reisden, energie verloren terwijl ze door het medium bewogen dat door de botsing werd gecreëerd. Het is een teken dat de zuurstofkernen, ondanks dat ze veel kleiner zijn dan lood, in staat waren om een omgeving te creëren die dicht genoeg was om hoogsnelheidsdeeltjes af te remmen. Het effect was niet zo sterk als wat wordt gezien in de massieve loodbotsingen, maar het was er wel, wat suggereert dat het vloeistofachtige gedrag zich uitstrekt tot deze kleinere systemen.

Interessant genoeg observeerden de onderzoekers ook dat de cluster van deeltjes die in dezelfde richting als de trigger vliegt, iets breder werd naarmate het aantal deeltjes in de botsing toenam. Deze verbreding suggereert dat de energie van de jet wordt herverdeeld, misschien door licht te verstrooien terwijl het met de omringende materie interacteert. Wanneer ze deze bevindingen vergeleken met de massieve loodbotsingen, vonden ze dat het gedrag van de centrale zuurstofbotsingen verrassend vergelijkbaar was met de buitenranden van de loodbotsingen. Deze gelijkenis biedt een cruciale link, die laat zien dat de overgang van kleine naar grote systemen geen plotselinge sprong is, maar een geleidelijke verandering in hoe de materie zich gedraagt. De gegevens suggereren dat zelfs in deze licht-ion botsingen het quark-gluonplasma wordt gevormd en dat het interacteert met de hoogsnelheidsdeeltjes die er doorheen vliegen.

Het verhaal is echter nog niet volledig voltooid. Hoewel de onderdrukking van deeltjes aan de verre zijde sterk hint op de aanwezigheid van een fluïdum medium, waarschuwen de onderzoekers dat andere factoren in het spel kunnen zijn. Effecten gerelateerd aan de initiële toestand van de kernen of de manier waarop de botsingen voor studie worden geselecteerd, zouden ook de resultaten kunnen beïnvloeden. Het team erkent dat de mate waarin deze alternatieve verklaringen bijdragen aan de geobserveerde onderdrukking een openstaande vraag blijft, aangezien deze niet in deze analyse zijn behandeld. De huidige bevindingen zijn een sterke indicatie, een kwalitatieve match met wat wordt verwacht als een medium aanwezig is, maar ze zijn geen definitief bewijs. De volgende stap voor de wetenschappelijke gemeenschap is om deze metingen te combineren met andere soorten observaties, zoals het direct reconstrueren van de paden van de jets zelf, om een completer beeld te vormen. Voor nu heeft het onderzoek naar zuurstof- en neonbotsingen succesvol een nieuw venster geopend, waarbij wordt aangetoond dat de mysterieuze, vloeistofachtige staat van materie die ontstond in het vroege universum, kan bestaan in systemen die veel kleiner zijn dan voorheen mogelijk werd geacht.