The Shape of Strangeness: Transverse Spherocity and Underlying Event studies of φ and its relation to Ξ in √s = 13 TeV pp collisions

Kvarkar och gluoner, elementarpartiklar som utgör två av materians fundament-
ala byggblock, kan normal sett inte observeras fritt. Detta på grund av att de
hålls ihop av den starka växelverkan för att bilda hadroner, så som neutroner
och protoner. Under särskilda förhållanden är det däremot möjligt att inducera
en fasövergång; På samma sätt som is kan smälta till vatten vid tillräckligt
höga temperaturer, så kan bindningarna av den starka växelverkan “smälta”,
och på så vis befria kvarkar och gluoner. Detta bildar ett exotiskt nytt till-
stånd, som kallas kvark-gluonplasma. Det nya tillståndet kan beskrivas som
starkt växelverkande, extremt kompakt, och drivs av enorma temperaturer, där
kvarkar och gluoner i stort sätt kan röra sig som fria partiklar. Dessutom
är det spekulerat att hela Universum vid en tid bestod av en singulär kvark-
gluonplasma, vid de första mikrosekunderna (0,000001 sekunder) efter Big Bang.

Genom att kollidera tunga joner, så som bly eller guld, som accelererats upp till
99% av ljusets hastighet, så är det möjligt att experimentellt skapa de temperat-
urerna och tryck som krävs för att bilda en potentiell kvark-gluonplasma. Däre-
mot är det inte möjligt att direkt mäta egenskaperna av det starkt växelverkande
tillståndet, då de det inte går att upprätthålla temperaturerna för mer än
ett otroligt kort ögonblick. Plasman kyls ner och sönderfaller, vilket produ-
cerar hadroner som återigen bundit ihop kvarkar och gluoner. För att utforska
egenskaperna av kvark-gluonplasman, så måste man istället skildra hur produ-
cerade hadroner interagerar med varandra, i kollisioner där man tror plasman
har bildats. På så vis har en rad av experimentella bevis av kvark-gluonplasman
hittats, både från “The Relativistic Heavy-Ion Collider” (RHIC) i Brookhaven,
och “The Large Hadron Collider” (LHC) i Genève. Det som observerats tyder
på att kvark-gluonplasman beter sig som en perfekt vätska, där partiklar kan ses
röra sig kollektivt, där transport och produktion av partiklarna kan beskrivas
med vätskedynamik.

Däremot så har flera upptäckter gjorts i de senaste åren, där man kan se att
många av de kollektiva signaturerna också uppträder i extremt hög-energetiska
proton–proton (pp) kollisioner. Detta har varit en förbryllande upptäckt, då pp
kollisioner inte troddes kunna bilda tillräckligt stora volymer, för att kvarkar
och gluoner skulle kunna termalisera. En av dessa signaturer är förstärkningen
av hadroner som innehåller en “strange” kvark (även kallat särkvark). Dessa
tyngre hadroner, förhållandevis till protoner och neutroner som bara består
av lättare kvarkar, är inte vanligt förekommande i universum, då de är in-
stabila och sönderfaller snabbt. En ökad produktion av hadroner med särk-
varkar som troddes vara unikt till tungjonskollisioner har nu också upptäckts i
proton-proton kollisioner, vilket har publicerat i tidskriften Nature Physics [1].

Syftet med forskningen som beskrivs i denna avhandling är att bättre förstå det
som driver den förstärkta produktionen av särkvarkar i extremt-högenergetiska
pp kollisioner och huruvida detta är relaterat till kvark-gluonplasman. Detta har
gjorts genom att studera särkvarkar i hög-energetiska pp kollisioner, förhållande
till geometrin som skapas i kollisionen. Tanken är att geometrin i kollisionen
som bildas kan skildra vilka typer av fysikprocesser som drivit partikelproduk-
tionen.

Produktionen av φ mesoner (uttalas “fi”, som består av ett särkvark-
antisärkvark par) har studerats i förhållande till produktionen av Ξ baryoner
(uttalas “xi”, som består av en “upp” kvark, och två särkvarkar).
Produktionen av φ mesoner i en kvark-gluonplasma beskrivs via termiska dis-
tributioner, där sannolikheten att bilda en φ meson är relaterad till dess massa,
vilket är likt protonen. Mer traditionella modeller inom partikelfysik beskriver
istället φ produktionen likt Ξ baryoner, där det är massan av särkvarkarna
som driver produktionen. Förhållandet mellan dessa två partiklar kan därför ge
information om hur hadronerna i sig bildas i hög-energetiska pp kollisioner.

Resultaten som presenteras i denna avhandling indikerar att de tidigare trott
sällsynta, “kvar-gluonplasma-liknande” effekterna i hög-energetiska pp kolli-
sioner, inte är lika sällsynta som förutspått. Snarare så verkar dessa fenomen
beskriva normen av hög-energetiska pp kollisioner. Istället är det de tradi-
tionella proton–proton signaturerna som är extremt dämpade, inom de mest
hög-energetiska pp kollisionerna.