Tabrakan Oksigen Mengungkap Plasma Kuark-Gluon dan Bentuk Inti Atom

Tumbukan berlangsung pada energi pusat massa 5,36 TeV per pasangan nukleon. Energi ini memungkinkan ALICE mengamati perilaku kolektif dalam sistem yang jauh lebih kecil dibandingkan tumbukan timbal-timbal, yang selama ini menjadi sistem utama dalam studi QGP.

Sinyal plasma kuark-gluon dari oksigen

Plasma kuark-gluon adalah keadaan materi yang sangat panas dan padat. Dalam kondisi ekstrem ini, kuark dan gluon tidak lagi terkurung di dalam partikel komposit seperti proton, neutron, atau hadron lainnya.

Salah satu cara mendeteksi QGP adalah mengamati apa yang terjadi pada parton berenergi tinggi—komponen dasar yang nantinya membentuk partikel seperti pion—ketika melintasi medium tersebut.

ALICE menemukan penekanan jumlah pion berenergi tinggi dalam tumbukan oksigen-oksigen. Pola ini konsisten dengan parton yang kehilangan energi saat melewati medium panas. Kolaborasi tersebut menyebut kehilangan energi parton sebagai bukti jelas terbentuknya QGP, sekaligus memperluas sinyal khas ini ke sistem tumbukan inti atom terkecil yang telah diteliti sejauh ini.

ALICE juga mengukur aliran kolektif anisotropik, termasuk aliran elips (v₂) dan aliran segitiga (v₃), dalam tumbukan oksigen-oksigen maupun neon-neon. Koefisien ini menggambarkan adanya arah tertentu dalam sebaran partikel yang memancar di sekitar sumbu tumbukan. Nilainya yang cukup besar, serta perubahannya bergantung pada sentralitas tumbukan, konsisten dengan perilaku seperti fluida yang dijelaskan oleh hidrodinamika.

Bagaimana pola partikel mengungkap bentuk inti?

Perbandingan oksigen dan neon menjadi menarik karena kedua inti tersebut tidak memiliki bentuk yang sama. Oksigen-16 relatif bulat, sedangkan neon-20 diperkirakan memiliki bentuk memanjang atau prolat—sering dianalogikan seperti pin bowling. Data tumbukan kini mendukung gambaran tersebut.

Ketika dua inti atom bertabrakan, wilayah awal yang saling tumpang tindih tidak selalu berbentuk lingkaran sempurna. Geometri awal itu memengaruhi cara materi panas mengembang. Jejak pengembangannya kemudian tercatat dalam distribusi sudut partikel yang keluar dari titik tumbukan.

Dalam tumbukan neon-neon yang sangat sentral, ALICE menemukan koefisien aliran elips v₂ yang lebih besar dibandingkan tumbukan oksigen-oksigen. Hasil ini sesuai dengan dugaan bahwa bentuk neon yang memanjang meninggalkan jejak elips lebih kuat daripada geometri oksigen yang lebih mendekati bola.

Perhitungan struktur inti dan simulasi hidrodinamika berhasil mereproduksi perbedaan yang diamati antara kedua sistem tumbukan. Kesesuaian ini mendukung penafsiran bahwa pola tersebut terutama dipengaruhi geometri inti, bukan semata-mata fluktuasi acak.

Dengan kata lain, peneliti dapat menyimpulkan bentuk inti atom dari pola aliran partikel yang tercipta setelah tumbukan. Peristiwa itu berlangsung terlalu cepat untuk diamati secara langsung, tetapi “sidik jari” partikel hasilnya masih membawa informasi tentang konfigurasi awal inti.

Mengapa temuan ini penting?

Sistem kecil ternyata masih dapat menunjukkan perilaku mirip QGP

Tumbukan timbal-timbal menghasilkan bola api yang lebih besar dan berumur lebih panjang, sehingga efek kolektif lebih mudah diamati. Oksigen dan neon berada di wilayah antara tumbukan proton-proton dan tumbukan ion berat. Sistem ion ringan memberi kesempatan bagi fisikawan untuk mengatur ukuran dan kerapatan sistem tumbukan, lalu mengamati kapan perilaku kolektif mulai muncul.

Hal ini membantu menjawab seberapa kecil sebuah sistem dapat terbentuk namun tetap menunjukkan sifat hidrodinamik yang berkaitan dengan plasma kuark-gluon. Hasil yang tersedia menunjukkan bahwa tumbukan oksigen dapat memperlihatkan kehilangan energi parton dan aliran kolektif. Namun, hubungan terperinci antara kedua sinyal tersebut dan sifat medium yang terbentuk masih menjadi objek penelitian.

Tumbukan inti menjadi alat untuk mempelajari struktur atom

Eksperimen ini juga menawarkan metode pelengkap untuk mempelajari struktur inti. Alih-alih menembakkan partikel ke inti yang diam dalam eksperimen hamburan konvensional, peneliti membandingkan aliran kolektif yang dihasilkan ketika inti dengan bentuk intrinsik berbeda saling bertabrakan.

Kontras antara oksigen dan neon membantu mempersempit kondisi awal yang digunakan dalam model tumbukan ion berat. Dengan demikian, puing-puing tumbukan yang mengembang dapat dimanfaatkan sebagai alat untuk mempelajari bentuk inti yang tidak terlihat secara langsung.

Jendela laboratorium menuju alam semesta awal

Plasma kuark-gluon menyerupai keadaan materi ekstrem yang diyakini memenuhi alam semesta pada beberapa mikrodetik pertama setelah Big Bang, sebelum kuark dan gluon terkurung di dalam proton, neutron, serta hadron lainnya.

Tumbukan ion ringan memungkinkan ilmuwan mempelajari bentuk materi primordial itu dalam sistem yang lebih kecil dan lebih mudah diatur. Pada saat yang sama, eksperimen ini membantu menguji batas antara tumbukan inti yang menghasilkan medium mirip fluida dan tumbukan yang tidak menghasilkan perilaku tersebut.

Apa eksperimen berikutnya?

Bukti yang tersedia belum menyebutkan jadwal pasti atau daftar inti yang lebih ringan dari oksigen untuk eksperimen berikutnya. Sumber-sumber tersebut mendukung perlunya perbandingan lebih lanjut di antara berbagai sistem ion ringan untuk memetakan ukuran minimum dan kerapatan yang diperlukan agar perilaku mirip QGP muncul, sekaligus menggunakan inti dengan bentuk yang telah diketahui untuk memperbaiki model geometri awal tumbukan.

Ketidakpastian ini justru menjadi bagian penting dari pertanyaan ilmiahnya. Oksigen dan neon berada dekat dengan batas sistem kecil, sehingga pengukuran mendatang perlu membedakan secara lebih presisi antara pengaruh bentuk inti, fluktuasi kondisi awal, dan kehilangan energi yang benar-benar disebabkan oleh medium.

Untuk saat ini, hasil ALICE menunjukkan dua hal yang saling terkait: tumbukan oksigen memperlihatkan salah satu sinyal utama plasma kuark-gluon, sementara perbandingan oksigen dan neon dapat mengubah sisa-sisa tumbukan yang mengembang menjadi alat untuk mengungkap bentuk inti atom.