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La ‘prima’ soluzione esatta del plasma QGP

A differenza della matematica, nei problemi di fisica è raro trovare soluzioni esatte. Oggi, però, Michael Strickland della Kent State University e il suo gruppo, hanno pubblicato un articolo su Physical Review Letters in cui descrivono una soluzione esatta che può essere applicata ad una serie di fenomeni fisici e aiutare così gli scienziati a utilizzare modelli più adeguati per studiare le strutture galattiche, le esplosioni stellari e le collisioni di particelle negli acceleratori.

Durante le collisioni ad alta energia, i fisici sperimentali creano un plasma di quark e gluoni ad alta temperatura, chiamato QGP (Quark-Gluon Plasma), che ha breve durata e che si ritiene rappresenti lo stato fisico della materia presente nell’Universo qualche millisecondo dopo il Big Bang. Nel loro articolo, gli autori illustrano la prima soluzione esatta che permette di descrivere un sistema che si espande radialmente e longitudinalmente a velocità relativistiche.

Lo studio del plasma quark-gluoni mediante le collisioni tra ioni pesanti permette di ricavare preziosi indizi sullo stato fisico dell’Universo tra 10^(-12) e 10^(-5) secondi dopo il Big Bang, epoca in cui lo spazio era un plasma super caldo di quark, gluoni e altre particelle fondamentali. La figura illustra un diagramma di fase della materia in termini della variazione della temperatura in funzione della densità barionica. RHIC e LHC esplorano l’area limitata da una temperatura elevata (~10^12 Kelvins) e da una bassa densità barionica. Credit: M. Strickland

L’equazione che è stata risolta fu inventata dal fisico austriaco Ludwig Boltzmann nel 1872 per descrivere la meccanica dei fluidi e dei gas. Si trattava di una equazione avanti coi tempi dato che Boltzmann immaginava che la materia avesse una natura particellare e che la meccanica del sistema fisico potesse essere descritta solamente analizzando le collisioni tra insiemi di particelle. “Nell’ultima decade, si è fatto molto per descrivere l’evoluzione del plasma quark-gluoni attraverso le equazioni dell’idrodinamica in cui il QGP viene immaginato come se fosse un fluido”, dice Strickland. “Le equazioni dell’idrodinamica possono essere ricavate dall’equazione di Boltzmann e, a differenza dell’equazioni dell’idrodinamica, l’equazione di Boltzmann non è limitata al caso di un sistema che si trova, o è prossimo, all’equilibrio termico. Entrambi i tipi di espansione si hanno nelle collisioni relativistiche di ioni pesanti e bisogna includerle se uno cerca di realizzare una descrizione realistica della dinamica”. Insomma, pare che la nuova soluzione esatta contenga entrambi i tipi di espansione e può essere usata per descrivere il miglior sistema idrodinamico.

Kent State University: Kent State Physics Professor Publishes Exact Solution to Model Big Bang and Quark Gluon Plasma
arXiv: A new exact solution of the relativistic Boltzmann equation and its hydrodynamic limit