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Le condizioni fisiche dell’Universo durante il ‘primo’ microsecondo

Grazie ad una serie di simulazioni che furono proposte inizialmente circa sette anni fa con un supercomputer, un gruppo di ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory hanno riprodotto le condizioni fisiche iniziali che hanno caratterizzato la nascita dell’Universo.

Circa un microsecondo dopo il Big Bang, quando la temperatura superava il trilione di gradi, l’Universo passò da uno stato di plasma composto di quark e gluoni a quello di nucleoni, cioè protoni e neutroni, che rappresentano i mattoni fondamentali della materia ordinaria. Ora, la teoria della cromodinamica quantistica (QCD (dall’inglese Quantum chromodynamics) descrive l’interazione nucleare forte e prevede quali sono le condizioni per cui essa avviene. In un recente articolo, apparso su Physical Review LettersChris Schroeder, Ron Soltz e Pavlos Vranas hanno calcolato la transizione di fase QCD utilizzando il potente supercomputer Vulcan, un lavoro che ha visto la LLNL-led Hot QCD Collaboration guidare i ricercatori di vari istituti tra i quali il Los Alamos National Laboratory, l’Institute for Nuclear Theory, la Columbia University, la Central China Normal University, il Brookhaven National Laboratory e l’Universität Bielefed in Germania. Si tratta della prima volta per cui queste simulazioni vengono realizzate in un modo che preserva una certa simmetria fondamentale della QCD, in cui cioè i quark destrorsi e sinistrorsi, una proprietà che i fisici chiamano chiralità, possono essere scambiati senza modificare le equazioni. Queste simmetrie si possono descrivere facilmente ma sono difficili da implementare dal punto di vista del calcolo. Le implicazioni di queste simulazioni sono importanti perchè ci forniscono preziosi indizi sulle fasi evolutive dell’Universo un microsecondo dopo il Big Bang, quando lo spazio si era espanso al punto che la temperatura era scesa sotto 10 trilioni di gradi. Al di sotto di questa temperatura, i quark e i gluoni sono confinati in stati legati chiamati adroni, ossia protoni e neutroni che sono le particelle subatomiche a noi familiari. Al di sopra di questa temperatura, gli stati legati cessano di esistere e i quark e i gluoni formano un plasma che risultano fortemente accoppiati vicino al punto di transizione e molto meno accoppiati man mano che la temperatura aumenta. “Questo risultato fornisce una importante convalida di ciò che intendiamo per interazione forte a temperature elevate e ci permette di interpretare i dati raccolti al Relativistic Heavy Ion Collider at Brookhaven National Laboratory e al Large Hadron Collider at CERN“, ha dichiarato Soltz.

LLNL: Calculating conditions at the birth of the universe
APS: Viewpoint: Testing a Realistic Quark-Gluon Plasma
LLNL: Bringing the Big Bang into View
LLNL: Lawrence Livermore's Vulcan brings 5 petaflops computing power to collaborations with industry and academia to advance science and technology
arXiv: The QCD phase transition with physical-mass, chiral quarks