ALICE scopre un nuovo fenomeno in collisioni protone-protone

Pubblicato Mercoledì, 26 aprile 2017

La Collaborazione ALICE ha comunicato in un articolo pubblicato questa settimana su Nature Physics la scoperta di un nuovo fenomeno osservato nelle collisioni protone-protone in cui sono prodotte molte particelle. La scoperta mostra che queste rare collisioni tra protoni appaiono con proprietà molto simili a quelle che caratterizzano le collisioni tra ioni pesanti ultrarelatrivistici. Tale risultato, annunciato in un comunicato stampa dal CERN e dall’INFN, vede un’importante partecipazione italiana in cui spicca il contribuito di un ricercatore della Sezione INFN di Bologna che ha guidato la ricerca. Il gruppo ALICE di Bologna ha tra l’altro sviluppato, costruito e mantiene in presa dati il rivelatore di tempo di volo, TOF, che è stato utilizzato anche in questa ricerca e che, recentemente, ha migliorato la sua già ottima risoluzione temporale.

Il fenomeno è stato individuato attraverso la misura della produzione di particelle cosiddette “strane” (particelle contenti quark “strange” e note da più di 50 anni), notando la presenza di numerose collisioni protone-protone in cui tali particelle sono emesse a un tasso particolarmente elevato. L’aumento della produzione di “stranezza” (strangeness enhancement) è una caratteristica tipica prevista in seguito alla formazione di un plasma di quark e gluoni (quark-gluon plasma, QGP) — uno stato della materia nucleare molto caldo e denso in cui si trovava l’Universo pochi milionesimi di secondo dopo il Big Bang — ed è stata scoperta negli anni ’90 al CERN in collisioni energetiche tra ioni pesanti. Ma questa è la prima volta che tale fenomeno è inequivocabilmente osservato in collisioni protone-protone, mettendo quindi a dura prova i modelli teorici correnti che non ne prevedevano l’occorrenza.

La figura allegata mostra l’evoluzione della produzione di protoni (p, con stranezza S=0), e di particelle “strane” (Λ, Ξ e Ω, con stranezza S = 1, 2 e 3) in funzione del numero di particelle prodotte in collisioni protone-protone. I dati sono presentati come rapporti di produzione rispetto a pioni — particelle abbondantemente prodotte e non “strane” — e confrontati con i valori ottenuti in eventi in cui almeno una particella carica è prodotta nella regione centrale. La dipendenza dell’aumento della produzione di stranezza con il numero di particelle prodotte è più forte a seconda della stranezza della particella (ovvero del numero di quark contenuti in essa), mentre non vi è aumento della produzione di protoni, che non sono “strani”. I risultati dimostrano quindi che il fenomeno osservato è una caratteristica legata alla stranezza della particella e non alla sua massa, come previsto nel caso di formazione di QGP.

Lo studio del QGP fornisce uno strumento cruciale per indagare le proprietà delle interazioni forti — una delle quattro forze fondamentali note, la quale lega quark e gluoni all’interno di protoni e neutroni e questi ultimi all'interno del nucleo atomico — e in particolare un fenomeno attualmente ancora poco compreso e caratteristico delle interazioni forti noto come il “confinamento”. Questa scoperta permetterà agli scienziati di avanzare in maniera significativa la conoscenza delle interazioni forti e del QGP. Essere in grado di osservare e isolare fenomeni simili a quelli attribuiti alla formazione di QGP anche in sistemi di collisioni semplici come la collisioni tra due protoni permette di aprire nuove strade per lo studio e la comprensione dello stato fondamentale della materia da cui il nostro Universo è emerso.