Responsabile scientifico: Umberto D’Alesio
Gruppo di ricerca: Alessandro De Falco, Giulia Manca, Rolf Oldeman, Gianluca Usai
Lo studio della produzione in collisioni adroniche del quarkonio, J/ψ o Ύ (Fig. 1), stato legato di una coppia di quark e anti-quark massivi, rappresenta una sfida e allo stesso tempo uno strumento formidabile per la comprensione delle interazioni forti e, in ultima analisi, della CromoDinamica Quantistica (QCD), la teoria che le descrive.
Attualmente, nonostante i diversi mo-delli teorici sviluppati, le osservazioni spe-rimentali mostrano che non si dispone an-cora di una teoria in grado di descrivere in maniera soddisfacente sia il meccanismo di formazione di questo stato legato sia gli sta-ti di polarizzazione in cui può essere pro-dotto.
A questo si aggiunga che la produzione del quarkonio in processi adronici rappre-senta un canale diretto per accedere alle funzioni di distribuzione dei gluoni che,
in-sieme ai quark, sono i costituenti dei nucle-oni (protnucle-oni e neutrnucle-oni). Un aspetto partico-larmente significativo riveste la possibilità di estrarre informazioni sulle funzioni di distribuzione dipendenti dall’impulso tra-sverso partonico (note come TMD). Queste funzioni estendono le usuali distribuzioni collineari, che danno la probabilità di tro-vare un partone, quark o gluone, con una certa frazione di impulso longitudinale del nucleone genitore, e permettono di ottenere una descrizione più dettagliata della strut-tura del nucleone. Se poi consideriamo nu-cleoni polarizzati trasversalmente alla pro-pria direzione di moto, le correlazioni tra impulso trasverso intrinseco e spin dei par-toni e del nucleone consentono di arrivare a una mappatura tridimensionale del nucle-one. Come emerso dalle osservazioni spe-rimentali degli ultimi 15-20 anni, affiancate da analisi teoriche e fenomenologiche sem-pre più accurate, queste funzioni si sono ri-velate di fondamentale importanza. D’altra parte, diversamente dalle TMD dei quark, molto poco è ancora conosciuto per quanto riguarda i gluoni. La produzione di quar-konio in collisioni adroniche rappresenta quindi uno strumento unico in tal senso.
Il progetto si articola su due linee com-plementari, quella sperimentale e quella teorico-fenomenologica. Da un lato infatti nuovi dati alle energie accessibili al Large Hadron Collider (LHC) del CERN di
Gine-Fig. 1. Collisione protone-protone con produzione di getti di adroni, tra cui una J/ψ.
Scienze fisiche
Di seguito, alcuni risultati raggiunti nell’ambito del progetto:
1. Studio della funzione di Sivers dei gluoni per diversi processi di interesse fe-nomenologico, tra cui la produzione di quarkonio, adottando il modello di singo-letto di colore, in collisioni pp, con inclusio-ne di effetti di interazioinclusio-ne di stato iniziale e finale. Le stime delle funzioni di Sivers dei gluoni così ottenute hanno permesso di dare le prime predizioni per la produzione di quarkonio nell’esperimento in fase di proposta a LHC con bersaglio fisso polariz-zato trasversalmente (1-5).
2. Calcolo analitico dei contributi per il meccanismo di produzione di ottetto di co-lore. I primi risultati nell’approccio TMD sono in fase di ultimazione e rappresente-ranno un avanzamento significativo in que-sto ambito di ricerca (6).
vra permettono di testare i modelli teorici, dall’altro questi ultimi richiedono un ulte-riore grado di affinamento e sviluppo per comprendere appieno gli effetti osservati.
Sul versante teorico l’obiettivo principa-le è riconsiderare gli attuali modelli, basa-ti sulla QCD Non Relabasa-tivisbasa-tica (NRQCD), nell’ambito di uno schema che include gli effetti di impulso trasverso intrinseco. In particolare sono stati studiati i meccanismi di singoletto e ottetto di colore (combina-zioni della carica di colore dello stato del quarkonio) sia per la produzione di quar-konio in collisioni protone-protone (pp), sia nelle asimmetrie di spin singolo nella collisione con un protone trasversalmente polarizzato. Questa seconda osservabile dà accesso ad una delle più importanti TMD:
la funzione di Sivers dei gluoni, che forni-sce la distribuzione azimutale dei gluoni non polarizzati all’interno di un protone polarizzato trasversalmente rispetto alla sua direzione di moto. Per la prima volta sono stati studiati anche gli effetti di non universalità, o di dipendenza dal processo, di questa TMD. La loro stima, dal confronto con i dati sperimentali (disponibili attual-mente o nel prossimo futuro), rappresenta uno degli aspetti più innovativi di questo studio. La loro comprensione potrebbe in-fatti chiarire alcuni aspetti delle proprietà di confinamento della QCD.
Dal punto di vista sperimentale, ALICE (A Large Ion Collider Experiment, Fig. 2) ha effettuato misure in collisioni pp, p-Pb e Pb-Pb. Nelle collisioni pp è stata studiata la po-larizzazione della J/ψ, in p-Pb gli effetti del-la materia nucleare in condizioni ordinarie (materia nucleare fredda) nella produzione dei quarkonia, mentre in collisioni Pb-Pb la materia adronica deconfinata, ottenibile ad altissime temperature e densità di energia.
L’esperimento LHCb (Fig. 3) ha studiato la polarizzazione dei mesoni J/ψ, ψ(nS) e Ύ(nS) in collisioni pp e la loro produzione anche in collisioni p-Pb e Pb-Pb. L’uso del-la configurazione a bersaglio fisso (SMOG), unica a LHCb, ha permesso una stima della soppressione del quarkonio a diversi livelli di densità barionica.
Fig. 2. Schema del rivelatore dell’esperimento ALICE.
Fig. 3. Schema del sistema di tracciamento dell’espe-rimento LHCb.
Scienze fisiche stimare la produzione del mesone Ύ a rapi-dità negative (13).
6. Studio della produzione della J/ψ in collisioni Pb-Pb a 5.02 TeV in ALICE (14, 15), con osservazione della ricombinazio-ne dei quark charm ricombinazio-nella fase di plasma di quark e gluoni (nota di analisi).
7. Misura a LHCb della produzione e polarizzazione della Ύ in collisioni pp a 7 e 8 TeV (16) che, insieme alla polarizzazione della J/ψ e ψ(2S) misurate precedentemen-te, hanno dato importanti indicazioni sulla NRQCD.
8. Misura a LHCb della produzione di diversi stati di quarkonio, open charm e open beauty in SMOG e in collisioni p-Pb e Pb-Pb, che hanno permesso test importanti sulla NRQCD e su modelli basati sul charm intrinseco (17-19). Analisi del charmonio in collisioni Pb-Pb ultra periferiche (20).
9. Importanti misure realizzate con SMOG (21, 22) utili anche al fine dell’inse-rimento di un bersaglio polarizzato trasver-salmente in LHCb.
3. Elaborazione di una proposta per la realizzazione di un esperimento con ber-saglio fisso polarizzato a LHC, “LHCSpin”
(7), sottoposta al processo di aggiorna-mento 2020 della “EU Strategy for Particle Physics”. Il nostro gruppo è stato uno dei proponenti l’iniziativa, supportata da de-cine di fisici sperimentali e teorici interna-zionali.
4. Misura dei parametri di polarizzazio-ne in collisioni pp all’epolarizzazio-nergia di 8 TeV in ALICE (8, 9), con evidenza dell’assenza di polarizzazione per la J/ψ, entro le incertez-ze sperimentali, in contrasto con le previ-sioni teoriche basate su NRQCD e sul mo-dello di singoletto di colore.
5. Analisi degli effetti nucleari nella pro-duzione dei quarkonia in ALICE in collisio-ni p-Pb a 8 TeV (10-12) e verifica che i mo-delli basati su shadowing nucleare, perdita di energia partonica coerente e interazioni con le particelle comoventi prodotte descri-vono i dati con sufficiente accuratezza nella regione in avanti, mentre tendono a
sovra-Bibliografia
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Umberto D’Alesio, Laurea e Dottorato in Fisica a Torino, è stato borsista di post-dottorato a Hei-delberg (Germania) e a Cagliari, dove nel 2002 è diventato Ricercatore universitario. Dal 2014 è Professore associato in Fisica teorica delle in-terazioni fondamentali. Docente di corsi di base e avanzati, responsabile scientifico di laureandi, dottorandi e borsisti di ricerca, il suo interesse principale è rivolto alla fisica adronica in QCD perturbativa con particolare riguardo agli effetti di spin. Ha contribuito significativamente allo sviluppo di un modello teorico per lo studio di
asimmetrie di spin in processi adronici. Coauto-re di importanti lavori sulla struttura tridimen-sionale del nucleone, con circa 50 pubblicazioni su riviste internazionali, altrettanti contributi in atti di convegno e presentazioni a congressi, di cui oltre 30 su invito (4400 citazioni), collabora con gruppi teorici e sperimentali internazio-nali e dal 2017 è membro del Theory Advisory Group dell’esperimento PANDA al GSI (Germa-nia). Organizzatore di congressi internazionali, referee di varie riviste scientifiche, partecipa a progetti nazionali ed europei da circa 20 anni.