ALICE-samarbeidet viser at forskjellige bundne tilstander til en sjarmkvark og dens antimaterie-motpart modifiseres forskjellig av kvark-gluon-plasma, noe som åpner nye veier for å studere denne spesielle tilstanden til materie og dens effekter
Kvark-gluonplasma er en ekstremt varm og tett materietilstand der de elementære bestanddelene – kvarker og gluoner – ikke er innesperret inne i komposittpartikler kalt hadroner, slik de er i protonene og nøytronene som utgjør atomkjernene. Antatt å ha eksistert i det tidlige universet, kan denne spesielle fasen av materie gjenskapes ved Large Hadron Collider (LHC) i kollisjoner mellom blykjerner.
En ny analyse fra det internasjonale ALICE-samarbeidet ved LHC undersøker hvordan ulike bundne tilstander til en sjarmkvark og dens antimaterie-motpart, også produsert i disse kollisjonene, påvirkes av kvark-gluonplasma. Resultatene åpner nye veier for å studere det sterke samspillet – en av de fire grunnleggende naturkreftene – i de ekstreme temperatur- og tetthetsforholdene til kvark-gluonplasma.
Bundne tilstander av en sjarmkvark og en sjarmantikvark, kjent som charmonia eller skjulte sjarmpartikler, holdes sammen av den sterke interaksjonen og er utmerkede sonder av kvark-gluonplasma. I plasmaet undertrykkes produksjonen deres på grunn av “screening” av det store antallet kvarker og gluoner som finnes i denne formen for materie. Screeningen, og dermed undertrykkelsen, øker med plasmatemperaturen (se illustrasjon under) og forventes å påvirke ulike charmonia i varierende grad. For eksempel forventes produksjonen av ψ(2S)-tilstanden, som er ti ganger svakere bundet og 20 % mer massiv enn J/ψ-tilstanden, å være mer undertrykt enn J/ψ-tilstanden.
Denne hierarkiske undertrykkelsen er ikke den eneste skjebnen til charmonia i kvark-gluonplasma. Det store antallet sjarmkvarker og antikvarker i plasma – opp til rundt hundre i front-mot-kollisjoner – gir også opphav til en mekanisme, kalt rekombinasjon, som danner ny charmonia og motvirker undertrykkelsen til en viss grad (se illustrasjon). Denne prosessen forventes å avhenge av typen og momentumet til charmoniaen, med den mer svakt bundne charmoniaen som muligens produseres gjennom rekombinasjon senere i plasmautviklingen, og charmonia med den laveste (tverrgående) impulsen har den høyeste rekombinasjonshastigheten.
Tidligere studier, som brukte data fra CERNs Super Proton Synchrotron og senere fra LHC, har vist at produksjonen av ψ(2S)-tilstanden faktisk er mer undertrykt enn den til J/ψ. ALICE har også tidligere gitt bevis på rekombinasjonsmekanismen i J/ψ-produksjon. Men til nå har ingen studier av ψ(2S)-produksjon ved lavt partikkelmomentum vært nøyaktige nok til å gi avgjørende resultater i dette momentumregimet, og forhindret at et fullstendig bilde av ψ(2S)-produksjonen ble oppnådd.
ALICE-samarbeidet har nå rapportert de første målingene av ψ(2S)-produksjon ned til null tverrmomentum, basert på bly-bly-kollisjonsdata fra LHC samlet inn i 2015 og 2018.
Målingene viser at uavhengig av partikkelmomentum, er ψ(2S)-tilstanden undertrykt omtrent to ganger mer enn J/ψ. Dette er første gang et klart hierarki i undertrykkelse er observert for den totale produksjonen av charmonia ved LHC. En lignende observasjon ble tidligere rapportert av LHC-samarbeidene for bundne tilstander av en bunnkvark og dens antikvark.
Når det studeres videre som en funksjon av partikkelmomentum, ses ψ(2S)-undertrykkelsen å bli redusert mot lavere momentum. Denne funksjonen, som tidligere ble observert av ALICE for J/ψ-tilstanden, er en signatur på rekombinasjonsprosessen.
Fremtidige høyere presisjonsstudier av disse og andre charmonia ved bruk av data fra LHC Run 3, som startet i juli, kan føre til en definitiv forståelse av modifikasjonen av skjulte sjarmpartikler og som et resultat av den sterke interaksjonen som holder dem sammen , i det ekstreme miljøet av kvark-gluon plasma.
