Wanneer twee loodionen botsen bij de Large Hadron Collider (LHC), produceren ze een extreem hete en dichte toestand van materie waarin quarks en gluonen niet opgesloten zitten in composietdeeltjes die hadronen worden genoemd. Deze vuurbal van deeltjes – bekend als quark-gluonplasma en waarvan wordt aangenomen dat deze het universum in de eerste paar miljoensten van een seconde na de oerknal heeft gevuld – zet uit en koelt snel af. De quarks en gluonen transformeren vervolgens weer in hadronen, die uit de botsingszone naar deeltjesdetectoren vliegen.

Bij botsingen waarbij de twee loodionen niet frontaal botsen, heeft het overlapgebied tussen de ionen een elliptische vorm die een afdruk achterlaat op de stroom van hadronen. Metingen van een dergelijke elliptische stroming bieden een krachtige manier om quark-gluonplasma te bestuderen. In een recent artikel op de arXiv preprint-server rapporteerde de ALICE-samenwerking een nieuwe meting van de elliptische stroom van hadronen die zware quarks bevatten, die bijzonder krachtige sondes van het plasma zijn.

In tegenstelling tot de gluonen en lichte quarks die het grootste deel uitmaken van het quark-gluon-plasma dat ontstaat bij botsingen tussen zware ionen, worden zware charme- en schoonheids-quarks geproduceerd in de beginfase van de botsingen, voordat het plasma zich vormt. Ze hebben daarom gedurende de hele evolutie een wisselwerking met het plasma, vanaf de uitzetting en afkoeling tot de transformatie in hadronen.

Meerdere interacties met de bestanddelen van het plasma brengen zware quarks in thermisch evenwicht met het medium binnen een tijd die omgekeerd evenredig is met de massa van de quark. Charm-quarks zijn lichter dan beauty-quarks, dus voor charm-quarks wordt een kortere thermalisatietijd en een grotere mate van thermalisatie verwacht dan voor beauty-quarks.

Zodra ze met het plasma thermaliseren, vormen charm-quarks D-mesonen en schoonheids-quarks B-mesonen, door te combineren met de lichte quarks van het medium (zie figuur hierboven). Eerdere metingen hebben aangetoond dat de elliptische stroom van dergelijke ‘snelle’ D-mesonen, zo genoemd omdat ze direct na de botsingen worden geproduceerd, bijna net zo sterk is als die van de lichtste hadronen, pionen. Omdat verwacht wordt dat de thermalisatietijd langer zal zijn voor beauty-quarks dan voor charm-quarks, wordt voorspeld dat de elliptische stroom van B-mesonen zwakker is dan die van snelle D-mesonen.

In de recente analyse van niet-frontale botsingen tussen lood en lood die plaatsvonden tijdens Run 2 van de LHC, heeft de ALICE-samenwerking de elliptische stroom van B-mesonen gemeten, door de stroom van "niet-prompte" D-mesonen te meten die worden geproduceerd in het verval van B-mesonen. De sleutel tot de analyse was de toepassing van een machinale leertechniek om de producten van het verval van niet-prompte D-mesonen te scheiden van die van de snelle, en om de vele achtergronddeeltjesprocessen te onderdrukken die de productie en het verval van D-mesonen nabootsen. .

De nieuwe meting laat zien dat de elliptische stroom van de niet-prompte D-mesonen zwakker is dan die van hun snelle tegenhangers, in overeenstemming met de verwachting. Het resultaat werpt nieuw licht op de thermalisatie van beauty-quarks in het quark-gluon-plasma, en maakt de weg vrij voor nieuwe ALICE-metingen op basis van gegevens uit Run 3 van de LHC.

Met 40 keer meer botsingen dan het totaal dat ALICE heeft geregistreerd in de voorgaande perioden waarin gegevens over zware ionen zijn verzameld, zal het nieuwe monster van lood-loodbotsingen uit 2023 het mogelijk maken de stroom van charme- en schoonheidsdeeltjes gedetailleerder te bestuderen, waardoor verder licht op hun dynamiek in het quark-gluonplasma.

Meer informatie: Meting van niet-prompte D ⁰ -meson Elliptische stroom in Pb-Pb-botsingen bij √sNN =5,02 TeV, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2307.14084

Journaalinformatie: arXiv

Geleverd door CERN