Temperature di migliaia di miliardi di gradi, paragonabili a quelle esistite nei primi milionesimi di secondo dopo il Big Bang, sono state ricreate oggi nel più grande acceleratore del mondo, il Large Hadron Collider (Lhc) delCERN di Ginevra. È accaduto in seguito alle prime collisioni tra ioni di piombo, avvenute oggi e osservate inizialmente dall'esperimento Alice (che ne ha già rilevate mezzo milione). In seguito le collisioni sono state viste anche da altri due grandi esperimenti dell'Lhc, Cms e Atlas. "Con questi primi esprimenti abbiamo cominciato già a vedere qualcosa e comincia a partire un programma di fisica per studiare il comportamento dell'universo nei suoi primi istanti di vita" ha detto Federico Antinori, coordinatore delle misure relative alle collisioni di ioni pesanti dell'esperimento Alice e della sezione di Padova dell'INFN. Alle temperature estreme ottenute oggi, inesistenti perfino nel cuore delle stelle, diventa possibile osservare la materia primitiva, com'era prima che assumesse le caratteristiche che ha attualmente. Dopo le prime collisioni ad alta energia tra protoni, avvenute il 30 marzo scorso, questo è il nuovo traguardo del superacceleratore Lhc, al quale l'Italia partecipa con l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. «È la prima volta che porzioni di materia più vaste rispetto a singoli protoni vengono sottoposte a temperature così elevate - ha spiegato Petronzio - Quello che si verifica in queste condizioni è una transizione di fase, ossia qualcosa di simile a quello che accade quando l'acqua diventa vapore o quando un metallo si scioglie». Alle temperature di migliaia di miliardi di gradi, ricreate ora nell'anello di 27 chilometri dell'acceleratore, i «pacchetti» di particelle (quark e gluoni) che in condizioni normali sono saldamente intrappolati nel nucleo si «sciolgono» e quark e gluoni si liberano in una sorta di «zuppa». Uno dei modelli teorici che descrivono il comportamento della materia in questo stato, chiamato «plasma di quark e gluoni», era stato descritto dai fisici Giorgio Parisi e Nicola Cabibbo. «Il loro modello - ha osservato Petronzio - descrive alcuni fenomeni di stabilità limite della materia, oltre i quali si ha il plasma di quark e gluoni». Con le collisioni tra ioni di piombo cominciate nell'Lhc «parte la sperimentazione. Ci sono buoni motivi - ha concluso - per pensare che nell'acceleratore si raggiunga il plasma di quark e gluoni». Il plasma di quark e gluoni. Il plasma di quark e gluoni (QGP: Quark-Gluon Plasma) è uno stato della cromodinamica quantistica (QCD) che esiste solamente a temperature e densità estremamente elevate. Si ritiene che l'intero Universo si sia trovato nello stato di QGP per i primi 20-30 microsecondi della sua esistenza, ovvero subito dopo il big bang. Il plasma di quark e gluoni può essere ricreato in laboratorio facendo collidere nuclei di atomi pesanti ad energie ultrarelativistiche. I risultati di esperimenti di questo tipo, condotti al Super Proto Sincrotrone del CERN di Ginevra negli anni '80 e '90, hanno permesso al CERN di annunciare, nel 2000, la scoperta di un "nuovo stato della materia". Il QGP contiene quark e gluoni, così come la comune materia costituita da adroni. La differenza tra questi due stati della QCD è che nella materia normale ogni quark si accoppia col proprio antiquark per formare un mesone oppure si unisce a due altri quark per formare un barione (come ad esempio il protone e il neutrone). Nel QGP, invece, questi mesoni e barioni perdono la loro identità e formano una massa di quark e gluoni molto maggiore. Nella materia normale i quark sono confinati, nel QGP invece essi sono liberi di muoversi all'interno del plasma.
Un plasma è un tipo di materia in cui le cariche sono schermate, a causa della presenza di altre cariche in movimento; in altre parole la legge di Coulomb viene modificata, e la carica effettiva risulta essere dipendente dalla distanza. Nel QGP la carica di colore dei quark e dei gluoni è schermata in maniera analoga. Il QGP possiede altre analogie con il plasma normale. Vi sono però alcune diversità dovute al fatto che la carica di colore è non-abeliana mentre la carica elettrica è abeliana. Una conseguenza di questa differenza è che la carica di colore è troppo grande per il calcolo perturbativo che sta alla base della elettrodinamica quantistica. Il risultato è che lo strumento teorico principale per esplorare la QGP è la teoria di gauge su reticolo e la corrispondenza AdS/CFT (Spazio Anti de Sitter/Teoria di Campo Conforme). La temperatura di transizione (circa 170 MeV) è stata predetta per la prima volta dalla teoria di gauge su reticolo. Da quel momento in poi tale teoria è stata usata per predire molte altre proprietà di questo stato della materia. Il QGP può essere prodotto portando la materia ad una temperatura critica di 170 MeV. Ciò può essere fatto in laboratorio facendo collidere due nuclei atomici ad alta energia. I nuclei dell'oro e del piombo sono usati presso il CERN e presso il BNL (Brookhaven National Laboratory). Il volume caldo risultante è chiamato fireball (palla di fuoco). Una volta creata, la fireball si espande per opera della sua stessa pressione, ed espandendosi si raffredda: quando si arriva a una temperatura inferiore alla temperatura critica, i quark si ricombinano in barioni e mesoni. Studiando accuratamente le particelle emesse a seguito di questi processi, gli sperimentatori sperano di misurare le proprieta' del QGP. In particolare si pensa di avere segnali significativi sulla formazione di questo stato di materia studiando i fotoni e i dileptoni irradiati dal QGP termalizzato.
IMPRESA OGGI
7 novembre 2010
