CREATE AL CERN GOCCE DI QUARK E GLUONI

Come lacrime nel collider

Prodotte a LHC le più piccole gocce mai osservate in grado d'esibire le proprietà di un liquido quasi perfetto. Si tratta di droplet di plasma ad altissima temperatura, ottenuto facendo scontrare ioni d'oro con ioni di elio, analogo al brodo di quark e gluoni presente pochi istanti dopo il big bang

Crediti: LHC/CMS

Diagramma delle particelle subatomiche create durante una collisione tra un protone e uno ione di piombo. Crediti: LHC/CMS

Quanto può essere piccola una goccia? Fino a che punto può ridursi senza perdere le proprietà che definiscono un liquido? Un indizio: scordatevi le molecole, qui è di quark e gluoni che si parla. Se n’è parlato giusto la settimana scorsa a Kobe, in Giappone, al convegno Quark Matter 2015. E la Vanderbilt University (“Vandy” per gli amici, Nashville, Tennessee) ha colto la palla al balzo per portare al centro dell’attenzione una serie di risultati ottenuti di recente dai suoi ricercatori e passati un po’ in sordina. Risultati culminati con la comparsa all’interno dell’anello di LHC delle più piccole droplets – goccioline, appunto – mai prodotte, perlomeno in modo artificiale: droplets di plasma.

Rubando la metafora a Giorgia, potremmo dire che sono gocce di memoria: riproducono infatti le gocce incandescenti di quel brodo primordiale di quark e gluoni che era il nostro universo all’origine, negli istanti immediatamente successivi al big bang. Nome in codice QGP (quark–gluon plasma), la zuppa ricreata ad LHC, e analizzata al volo dal rivelatore CMS, bollente lo è sul serio: parliamo di una temperatura nell’ordine delle migliaia di miliardi di gradi. Gli ingredienti possono cambiare, come vedremo, ma ciò che ha colpito gli scienziati è che le singole “gocce di zuppa”, per quanto infinitesimali, rimangono comunque “liquide”. Nel senso che c’insegnavano alle scuole elementari: un liquido ha un volume proprio, ma acquisisce la forma del recipiente che lo contiene – si diceva per contraddistinguerlo da solidi e gas.

Ebbene, le gocce di plasma prodotte al CERN, proprio come un liquido, possono fluire: ogni particella esercita su quelle che le stanno accanto una forza attrattiva abbastanza forte da influenzarne il movimento, ma non forte al punto da bloccarle l’una con l’altra come avviene in un solido. E che liquido: il team della Vanderbilt University ha osservato che si tratta d’un liquido quasi perfetto: ovvero, ha viscosità pressoché nulla, dunque può scorrere senza alcuna resistenza. Se roteate un bicchiere di liquido perfetto e lo appoggiate sul tavolo, per dire, il liquido continuerà a turbinare.

Un brodo sui generis, insomma, la cui ricetta è stata affinata nel corso degli anni. Le gocce di QGP prodotte nel 2005 presso il Brookhaven National Laboratory avevano come ingredienti ioni d’oro, fatti scontrare fra loro a velocità relativistiche. Cinque anni dopo, nel 2010, usando come cucina i locali dell’LHC al CERN, a urtarsi quasi alla velocità della luce sono pesanti ioni di piombo. La sorpresa arriva però analizzando il fascio di particelle subatomiche prodotto dallo scontro, sempre nell’anello di LHC, fra uno ione di piombo da una parte e un singolo protone dall’altra: una ricetta molto più light, che ha dato origine a gocce di plasma grandi un decimo rispetto a quelle degli esperimenti precedenti, eppure la “liquidità” – tra lo stupore dei ricercatori – s’è mantenuta.

«Gli ioni di piombo sono molto grandi, ciascuno di essi è formato da centinaia di protoni e neutroni. Quando si scontrano l’uno con l’altro a velocità elevatissime, generano bolle di plasma che, raffreddandosi , danno origine a migliaia di particelle», spiega Julia Velkovska, del team di CMS. «Ma quando LHC è passato a collisioni tra ioni di piombo e protoni, non ci aspettavamo che queste avessero energia sufficiente per produrre il plasma».

E invece plasma è stato anche con una ricetta ancora più leggera, la più recente, pubblicata a fine settembre su Physical Review Letters. Questa volta gli ingredienti erano uno ione d’oro e uno di elio-3 (isotopo formato da due protoni un neutrone), ma le gocce di liquido quasi perfetto hanno fatto comunque la loro comparsa.

Gli autori dell’esperimento non hanno mancato di notare come questo, che è il liquido più caldo che si conosca, esibisca proprietà curiosamente simili a quelle del liquido più freddo che si conosca: quello formato da atomi di litio raffreddati a temperature d’appena un miliardesimo di grado sopra lo zero assoluto. Anche questi atomi ultra-freddi possono comportarsi come un liquido perfetto, con viscosità quasi pari a zero.

Per saperne di più:

Sui liquidi perfetti, guarda questo video del 2008 prodotto dal Brookhaven National Laboratory: