Nei suoi primissimi istanti, l’universo era una “zuppa” rovente di quark e gluoni, con temperature di migliaia di miliardi di gradi. Queste particelle elementari sfrecciavano a velocità prossime a quella della luce, formando un plasma di quark e gluoni che esistette solo per pochi milionesimi di secondo. Raffreddandosi rapidamente, questa zuppa primordiale permise ai quark e ai gluoni di legarsi tra loro, formando protoni, neutroni e altre particelle fondamentali che esistono tuttora.
Per studiare lo stato della materia nei primi microsecondi dopo il Big Bang, i fisici del Large Hadron Collider (Lhc) del Cern stanno ricreando – per brevissimi istanti – il plasma di quark e gluoni, facendo scontrare ioni pesanti a velocità prossime a quella della luce. Oggi, un team del Cern guidato da fisici del Massachusetts Institute of Technology (Mit) ha osservato chiari indizi che i quark, mentre attraversano il plasma, generano vere e proprie scie, simili alle increspature lasciate da un’anatra che avanza sull’acqua di uno stagno. Questo risultato rappresenta la prima prova diretta che il plasma di quark e gluoni reagisce alle particelle in movimento come un fluido collettivo, capace di sciabordare e schizzare, anziché comportarsi come un insieme disordinato di particelle indipendenti.
Impressione artistica di un quark che sfreccia attraverso il plasma di quark e gluoni, lasciandosi dietro una scia. Crediti: Jose-Luis Olivares, Mit
Per osservare gli effetti della scia prodotta dai quark, Yen-Jie Lee, professore di fisica al Mit, e i suoi colleghi hanno sviluppato una nuova tecnica, descritta in uno studio pubblicato su Physics Letters B. I coautori dello studio sono membri della Cms Collaboration, un team di fisici delle particelle provenienti da tutto il mondo che collabora alla realizzazione e all’analisi dei dati dell’esperimento Compact Muon Solenoid (Cms), uno dei rivelatori di Lhc. Ma cerchiamo di capire in cosa consiste il loro nuovo approccio.
Il plasma di quark e gluoni è il primo liquido mai esistito nell’universo, oltre a essere il più caldo. Si ritiene che fosse un liquido quasi “perfetto”, nel senso che i singoli quark e gluoni al suo interno scorrevano collettivamente come un fluido privo di attrito. Questa descrizione si basa su numerosi esperimenti indipendenti e su modelli teorici consolidati. Uno di questi modelli, sviluppato da Krishna Rajagopal del Mit, prevede che il plasma reagisca come un fluido a qualsiasi particella che lo attraversi ad alta velocità. La teoria, nota come modello ibrido, suggerisce che quando un getto di quark attraversa il plasma di quark e gluoni, lascia una scia alle sue spalle, inducendo il plasma a incresparsi.
Negli esperimenti condotti a Lhc, ioni pesanti come il piombo vengono accelerati fino a velocità prossime a quella della luce e fatti collidere, producendo – per pochissimo tempo – una minuscola goccia di “zuppa” primordiale, che in genere dura meno di un attosecondo (per capire quanto breve sia, immaginate di dividere un secondo per mille per ben sei volte). In altre parole, riescono a scattare un’istantanea di quel brevissimo momento per identificare le caratteristiche del plasma di quark e gluoni.
Per identificare le scie dei quark, hanno cercato coppie di quark e antiquark, particelle identiche ai quark ma con alcune proprietà – come la carica elettrica – uguali in valore ma opposte in segno. In particolare, quando un quark sfreccia attraverso il plasma, è probabile che vi sia un antiquark che viaggia alla stessa velocità, ma in direzione opposta. Per questo motivo, hanno cercato coppie quark–antiquark nel plasma di quark e gluoni prodotto dalle collisioni di ioni pesanti, ipotizzando che queste particelle potessero generare scie simili e quindi fossero rilevabili all’interno del plasma. Ma è più facile a dirsi che a farsi. «Quando vengono prodotti due quark, il problema è che, muovendosi in direzioni opposte, la scia di uno tende a oscurare quella dell’altro», spiega Lee.
Effettivamente, Lee e colleghi si sono resi conto che cercare la scia del primo quark sarebbe stato più facile se non ci fosse stato un secondo quark a oscurarne gli effetti. «Abbiamo messo a punto una nuova tecnica che ci consente di osservare gli effetti di un singolo quark nel plasma di quark e gluoni attraverso una coppia diversa di particelle», spiega Lee.
Anziché cercare coppie di quark e antiquark all’indomani delle collisioni di ioni di piombo, il team di Lee ha cercato eventi con un solo quark che si muoveva nel plasma, in contrapposizione a un bosone Z. Un bosone Z è una particella elementare neutra, elettricamente debole, che non ha praticamente alcun effetto sull’ambiente circostante. Tuttavia, poiché sono associati a un’energia molto specifica, i bosoni Z sono relativamente facili da rilevare.
«In questa zuppa di plasma quark-gluoni, ci sono numerosi quark e gluoni che si muovono e si scontrano tra loro», spiega Lee. «A volte, quando siamo fortunati, una di queste collisioni crea un bosone Z e un quark, con un momento elevato». In una collisione di questo tipo, le due particelle dovrebbero urtare l’una contro l’altra e partire in direzioni esattamente opposte. Mentre il quark potrebbe lasciare una scia, il bosone Z non dovrebbe avere alcun effetto sul plasma circostante. Qualunque increspatura osservata nella goccia di zuppa primordiale sarebbe stata dovuta interamente al singolo quark che l’ha attraversata.
Il team, in collaborazione con il gruppo del professor Yi Chen della Vanderbilt University, ha pensato di utilizzare i bosoni Z come “marcatori” per localizzare e tracciare gli effetti di scia dei singoli quark.
Per il loro nuovo studio, i ricercatori hanno esaminato 13 miliardi di collisioni, identificando circa 2mila eventi che hanno prodotto un bosone Z. Per ciascuno di questi eventi, hanno mappato le energie in tutto il plasma di quark e gluoni e hanno osservato un modello simile a un fluido con spruzzi e vortici – un effetto di scia – nella direzione opposta ai bosoni Z, che il team ha potuto attribuire direttamente all’effetto dei singoli quark che sfrecciano attraverso il plasma.
Inoltre, i fisici hanno scoperto che gli effetti di scia osservati nei dati erano coerenti con quanto previsto dal modello ibrido di Rajagopal. In altre parole, il plasma di quark e gluoni scorre e si increspa, effettivamente come un fluido, quando le particelle lo attraversano ad alta velocità. «Questo è qualcosa che molti di noi hanno sostenuto per molti anni e che molti esperimenti hanno cercato di dimostrare», afferma Rajagopal, che non ha partecipato direttamente al nuovo studio.
«Abbiamo ottenuto la prima prova diretta che il quark trascina effettivamente più plasma con sé mentre viaggia», conclude Lee. «Questo ci consentirà di studiare le proprietà e il comportamento di questo fluido esotico con un livello di dettaglio senza precedenti».
I ricercatori intendono applicare questo approccio ad altri dati provenienti da collisioni di particelle, con l’obiettivo di individuare ulteriori scie di quark. Misurandone le dimensioni, la velocità e l’estensione, nonché il tempo necessario affinché si attenuino e si dissipino, gli scienziati possono ricavare informazioni preziose sulle proprietà del plasma stesso e su come il plasma di quark e gluoni potrebbe essersi comportato nei primi microsecondi di vita dell’universo.
Per saperne di più:
- Leggi su Physics Letters B l’articolo “Evidence of medium response to hard probes using correlations of Z bosons with hadrons in heavy ion collisions” di The Cms Collaboration