In alto, rappresentazione di un evento dalla prima collisione Xeno-Xeno al Large Hadron Collider alla massima energia (5.44 TeV) registrato da ALICE (crediti: ALICE). Ogni traccia colorata (le linee blu) corrisponde alla traiettoria di una particella carica prodotta in una singola collisione. In basso, schema della formazione del flusso anisotropico, in collisioni relativistiche di ioni pesanti, a causa della geometria della zona di sovrapposizione calda e densa (mostrata in colore azzurro).
Gli scienziati del Niels Bhor Institute, dell’Università di Copenhagen, e i loro colleghi dell’esperimento Alice (oltre 1800 ricercatori provenienti da 41 paesi per un totale di 168 istituti coinvolti), hanno recentemente prodotto collisioni fra nuclei di xeno per acquisire nuove conoscenze sulle proprietà del plasma di quark e gluoni (Qgp) – uno stato speciale della materia composto da particelle fondamentali, i quark, e dai gluoni, particelle che legano insieme i quark stessi. Vale a dire, la materia di cui era composto l’Universo fino a un microsecondo dopo lo “scoppio” del Big Bang.
I risultati, pubblicati in un articolo su Physics Letters B, sono stai possibili grazie agli esperimenti condotti al Cern con, appunto, l’esperimento Alice del Large Hadron Collider (Lhc), sostituendo gli ioni di piombo (quelli comunemente usati per le collisioni) con ioni di xeno. Facendo scontrare gli ioni, gli scienziati producono una “palla di fuoco” che ricrea le condizioni iniziali dell’universo, con temperature di migliaia di miliardi di gradi e oltre. Diversamente da quanto accade nell’universo però, la vita delle goccioline di Qgp prodotte in laboratorio è brevissima, attorno ai 10-22 secondi (un millesimo di miliardesimo di miliardesimo di secondo…). In queste condizioni, la densità dei quark e dei gluoni è elevatissima, per cui si forma uno stato speciale della materia, detto Qgq fortemente interagente, nel quale queste particelle sono “quasi libere”. In questo modo gli esperimenti hanno rivelato che la materia primordiale, nell’istante precedente la formazione degli atomi, si comporta come un liquido, e può essere descritto con le equazioni dell’idrodinamica.
«Una delle sfide che dobbiamo affrontare è che, nelle collisioni tra ioni pesanti, sono disponibili solo le informazioni sullo stato finale delle molte particelle rilevate dagli esperimenti. Quello che vogliamo sapere è invece cosa accade all’inizio della collisione e nei momenti immediatamente successivi», osserva You Zhou, ricercatore postdoc al Niels Bohr Institute. «Per questo motivo, abbiamo sviluppato nuovi e potenti strumenti per studiare le proprietà delle piccole goccioline di Qgp che creiamo nei nostri esperimenti».
Un approccio, il loro, che si basa sull’analisi della distribuzione spaziale delle molte migliaia di particelle che emergono dalle collisioni, quando quark e gluoni si ritrovano intrappolati nelle particelle che costituiscono l’universo odierno. Questa distribuzione non solo riflette la geometria iniziale della collisione, ma è anche influenzata dalle caratteristiche del Qgp. «Le proprietà di trasporto del Qgp determineranno la forma finale della nube di particelle prodotte a seguito della collisione», spiega Zhou, «e in questo modo riusciamo ad avvicinarci al momento della creazione del plasma di quark e gluoni».
Il grado anisotropia nella distribuzione delle particelle, ovvero il fatto che ci siano più particelle in alcune direzioni che in altre, riflette tre informazioni importanti. Per prima cosa, la geometria iniziale della collisione. Secondo, quali le condizioni prevalenti all’interno dei nucleoni in collisione. Terzo, la viscosità di taglio del Qgp stesso – ovvero, la resistenza del liquido al flusso, proprietà fisica chiave della materia creata in laboratorio. «È uno dei parametri più importanti», dice rispetto a quest’ultima Zhou, «per definire le proprietà del plasma di quark e gluoni, perché ci rivela quanto fortemente i gluoni leghino i quark fra loro».
Gli esperimenti con gli ioni di xeno hanno fornito informazioni cruciali per sfidare teorie e modelli. «Grazie alle nuove collisioni di xeno, abbiamo posto vincoli molto stretti ai modelli teorici che descrivono il risultato. Indipendentemente dalle condizioni iniziali, piombo o xeno, la teoria deve essere in grado di descrivere entrambi i risultati», conclude Zhou. Grazie ai nuovi esperimenti, le possibilità di ottenere ulteriori informazioni sulla zuppa primordiale sono quindi notevolmente migliorate Il team prevede di fare entrare in collisione altri sistemi nucleari, ma questo richiederà sviluppi significativi nei nuovi fasci di Lhc.
Per saperne di più:
- Leggi su Physics Letters B l’articolo “Anisotropic flow in Xe–Xe collisions at √sNN=5.44 TeV“, della Alice collaboration