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Plasma quark-gluoni, un nuovo metodo per lo studio del ‘jet-quenching’

Alcuni ricercatori del Berkeley Lab hanno trovato un modo per analizzare ancora più da vicino il cosiddetto plasma quark-gluoni, un tipo di materia esotica che si ritiene abbia caratterizzato lo stato fisico dell’Universo immediatamente dopo il Big Bang. Grazie ad una serie di verifiche, dopo aver combinato i dati ottenuti degli esperimenti di due acceleratori di alta energia, cioè il Relativistic Heavy-ion Collider (RHIC) del Brookhaven National Laboratory a New York e il Large Hadron Collider (LHC) del CERN in Svizzera, gli scienziati hanno potuto affinare le misure che descrivono le proprietà di questa particolare miscela di materia primordiale costituita da particelle elementari. I risultati permettono di svelare nuovi aspetti del “fluido perfetto super caldo” e forniscono preziosi indizi sullo stato fisico dello spaziotempo qualche microsecondo dopo la nascita dell’Universo.

I dati raccolti dalla JET Collaboration, guidata dai ricercatori del Berkeley Lab, sono stati pubblicati su Physical Review C. JET è una delle collaborazioni principali nel campo della fisica nucleare e subnucleare, istituita nel 2010 dall’Ufficio della Scienza del Dipartimento di Energia, e oggi conta 12 istituti. JET, che sta per Quantitative Jet and Electromagnetic Tomography, ha lo scopo di studiare le tecniche e i metodi per analizzare le collisioni di alta energia degli ioni pesanti. “Abbiamo raggiunto le misure più precise che ci permettono di avere nuove informazioni sulla struttura microscopica del plasma quark-gluoni”, spiega Xin-Nian Wang, un fisico nucleare della Nuclear Science Division presso il Berkeley Lab e investigatore principale della collaborazione JET. “I liquidi perfetti possiedono il rapporto di viscosità/densità più basso permesso dalle leggi della meccanica quantistica, il che vuol dire che essenzialmente in essi non vi è alcuna viscosità”.

L’immagine illustra il fenomeno del jet-quenching. La ‘palla di fuoco’ causata dalla collisione di due nuclei pesanti è molto più grande, più calda e più densa di quella dovuta alla collisione di due protoni. Più lontano si spinge il getto attraverso il plasma quark-gluoni e maggiore risulta la perdita di energia. Se poi l’interazione con la materia esotica è abbastanza forte, il getto può non sfuggire del tutto. Credit: Berkeley Lab

All’interno dei protoni e dei neutroni che costituiscono i nuclei atomici, i quark sono tenuti insieme da altre particelle elementari denominate gluoni. Solamente in condizioni estreme, come ad esempio quelle che emergono a seguito delle collisioni ad alta energia, dove le temperature superano almeno di un milione di volte quelle che caratterizzano il nucleo del Sole, i quark e i gluoni si separano formando una sorta di “fluido perfetto super caldo”, che si muove senza viscosità. La temperatura raggiunge un valore così elevato che i legami chimici tra i vari nuclei scompaiono e perciò emerge una sorta di “zuppa di plasma caldo” formata, appunto, da quark e gluoni. Per studiarla più da vicino, gli scienziati devono contenerla in una camera speciale nell’acceleratore di particelle, dato che la sua vita media è molto breve: infatti, il plasma si raffredda in poco tempo e si espande, il che rende complicate le misure. Per ovviare a questo problema, i fisici sperimentali hanno sviluppato dei metodi sofisticati per ottenere dalle osservazioni dati sempre più precisi, un’impresa complicata. In questo lavoro, il gruppo di Wang è stato in grado di elaborare una tecnica che si basa su un fenomeno che i ricercatori del Berkeley Lab studiarono circa 20 anni fa: cioè monitorare la perdita di energia di una particella, chiamata “smorzamento del getto” (jet quenching), all’interno del plasma quark-gluoni. Quando si genera il plasma quark-gluoni, a volte si producono particelle la cui energia supera di migliaia di volte quella delle altre particelle. Il getto si propaga attraverso il plasma, viene diffuso e perde energia durante il suo moto. Perciò, calcolando la perdita di energia a seguito dello smorzamento del getto, i ricercatori possono ottenere informazioni sulla densità del plasma e di conseguenza sull’intensità della sua interazione con il getto. “E’ come un raggio-X che attraversa il corpo umano e ci permette di vedere le parti interne”, dice Wang. Il passo successivo sarà ora quello di analizzare i prossimi dati del RHIC a energie più basse e quelli di LHC a energie più alte in modo da vedere come le differenze di temperatura influiscono sulle proprietà del plasma, soprattutto in prossimità della transizione di fase materia ordinaria-materia esotica.

Berkeley Lab: A Closer Look at the Perfect Fluid
arXiv: Extracting jet transport coefficient from jet quenching at RHIC and LHC