Hyperon ($\Lambda$) polarization along the beam axis in Pb-Pb collisions at $\sqrt{s_{\rm NN}} = 5.36$ TeV

Resumo Técnico: Polarização de Hiperons ($\Lambda$) ao longo do Eixo do Feixe em Colisões Pb–Pb em $\sqrt{s_{NN}} = 5,36$ TeV

Problema e Motivação
Em colisões de íons pesados relativísticos, a formação de um plasma de quarks e glúons (QGP) que exibe comportamento fluido coletivo é caracterizada por campos de velocidade e vorticidade não triviais. A polarização global de hiperons $\Lambda$ foi estabelecida como evidência deste fluido vortical, enquanto campos de vorticidade local decorrentes do fluxo anisotrópico são previstos para gerar polarização longitudinal (ao longo do eixo do feixe) com modulações azimutais específicas. Medições anteriores das colaborações STAR e ALICE revelaram uma polarização longitudinal não nula com um componente de modulação seno positivo, um resultado qualitativamente oposto aos primeiros modelos baseados em vorticidade térmica, mas consistente com desenvolvimentos recentes que incorporam efeitos induzidos por cisalhamento (shear). No entanto, a sensibilidade da polarização longitudinal às propriedades de transporte do QGP, particularmente a viscosidade volumétrica (bulk viscosity), deve ser mais pronunciada em energias do Grande Colisor de Hádrons (LHC) do que em energias do Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). Além disso, o acoplamento da vorticidade com harmônicos de fluxo de ordem superior permanece uma área de investigação aberta, oferecendo potenciais restrições sobre a evolução espaço-temporal do meio.

Metodologia
Esta análise utiliza um conjunto de dados de aproximadamente 5 bilhões de eventos de colisões Pb–Pb coletados pelo detector ALICE durante o período de coleta de dados Run 3 em $\sqrt{s_{NN}} = 5,36$ TeV, correspondendo a uma luminosidade integrada de $L_{int} \simeq 3,2$ nb$^{-1}$. A análise foca na reconstrução de hiperons $\Lambda$ e $\bar{\Lambda}$ através de seus canais de decaimento fraco ($\Lambda \to p\pi^-$ e $\bar{\Lambda} \to \bar{p}\pi^+$).

Os componentes experimentais principais incluem:

• Detectores: O Fast Interaction Trigger (FIT), especificamente o detector FT0 para determinação de centralidade e plano de evento; o Inner Tracking System (ITS) para reconstrução de vértice; e a Time Projection Chamber (TPC) para reconstrução de traços e identificação de partículas via perda de energia específica ($dE/dx$).
• Critérios de Seleção: Candidatos a hiperons são selecionados com base em variáveis topológicas (raio de decaimento transversal, distância de aproximação mais próxima, ângulo de apontamento) e cortes cinemáticos ($p_T > 0,5$ GeV/c para prótons, $p_T > 0,2$ GeV/c para píons, $|y| < 0,5$).
• Extração de Polarização: A polarização ao longo da direção do feixe ($P_z$) é acessada através da correlação angular de violação de paridade entre o spin do hiperon e o momento do próton no referencial do repouso do hiperon. A análise mede a polarização longitudinal em relação aos planos de evento de segunda e terceira ordem ($\Psi_2$ e $\Psi_3$).
• Técnica de Análise: O sinal é extraído usando uma análise de massa invariante combinada com um ajuste simultâneo da distribuição de polarização. A polarização é corrigida pela aceitação do detector e pelo parâmetro de decaimento $\alpha_H$. A resolução do plano de evento é avaliada usando um método de três sub-eventos para mitigar decorrelações longitudinais.

Principais Contribuições

1. Primeira Observação no LHC: Este trabalho apresenta a primeira observação da polarização de hiperon ao longo da direção do feixe medida em relação ao plano de evento de terceira ordem no LHC.
2. Medição de Alta Precisão: O estudo fornece medições de polarização longitudinal em relação ao plano de evento de segunda ordem com precisão estatística melhorada comparado a resultados anteriores em $\sqrt{s_{NN}} = 5,02$ TeV, devido à maior amostra de dados do Run 3.
3. Restrições de Viscosidade: A análise compara explicitamente os dados experimentais com cálculos hidrodinâmicos para restringir as viscosidades volumétrica ($\zeta/s$) e de cisalhamento do QGP. Ela destaca o papel crítico da viscosidade volumétrica para reproduzir o sinal e a magnitude da polarização observada nas energias do LHC.

Resultos

• Modulação Azimutal: A polarização medida exibe claras modulações seno azimutais em relação aos planos de evento de segunda e terceira ordem.
• Magnitude e Tendências:
  • A magnitude das polarizações de segunda e terceira ordem são encontradas como comparáveis, contrastando com a ordenação típica observada para coeficientes de fluxo.
  • A polarização longitudinal de segunda ordem aumenta monotonicamente com a centralidade (em direção a colisões periféricas) e mostra uma dependência fraca e suave com o momento transversal ($p_T$), com uma tendência de saturação em $p_T$ intermediário.
  • Os resultados em 5,36 TeV são consistentes com medições anteriores em 5,02 TeV dentro de duas desvios padrão, embora com incertezas estatísticas reduzidas.
• Comparação com Modelos:
  • Cálculos hidrodinâmicos que incluem viscosidade volumétrica (implementada via parametrizações fenomenológicas dependentes da temperatura que atingem o pico próximo à temperatura crítica) reproduzem com sucesso o sinal e a tendência dos dados experimentais.
  • Cálculos sem viscosidade volumétrica produzem uma polarização longitudinal com o sinal oposto aos dados experimentais.
  • Cálculos hidrodinâmicos viscosos atuais tendem a superestimar o aumento do sinal em alto $p_T$, indicando que a dependência de $p_T$ não é totalmente reproduzida pelos modelos existentes.

Significância
O artigo afirma que a medição da polarização longitudinal, particularmente em relação ao plano de evento de terceira ordem, fornece um controle independente e complementar sobre a estrutura vortical do QGP. Os resultados demonstram que a polarização longitudinal é sensível não apenas à estrutura vortical, mas também às propriedades de transporte do meio, especificamente a viscosidade volumétrica. A inclusão da viscosidade volumétrica é identificada como essencial para explicar o sinal da polarização nas energias do LHC, ressaltando o papel dos efeitos dissipativos no desenvolvimento da polarização de spin local. Ao sondar tanto a geometria elíptica média (segunda ordem) quanto as estruturas impulsionadas por flutuações (terceira ordem), estas medições oferecem novas restrições sobre a evolução espaço-temporal e os coeficientes de transporte do plasma de quarks e glúons, distinguindo entre diferentes descrições dinâmicas do mecanismo de polarização de spin.