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PHENIX osserva il mesone J/ψ fornendo nuovi indizi sulle proprietà del plasma quark-gluoni

La scoperta di una nuova particella di tipo mesone potrebbe aiutare i fisici a comprendere meglio il comportamento del plasma di quark-gluoni che avrebbe caratterizzato lo stato fisico della materia subito dopo il Big Bang.

Per diversi anni, i fisici del Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) presso il Brookhaven National Laboratory (BNL) hanno condotto una serie di esperimenti allo scopo di studiare un particolare stato della materia, denominato plasma quark-gluoni, che si ritiene abbia caratterizzato lo stato fisico della materia primordiale subito dopo il Big Bang. Oggi, i ricercatori dell’esperimento PHENIX hanno pubblicato alcuni dati in cui viene riportata la scoperta di una particella chiamata mesone J/ψ che potrebbe aiutare i fisici a capire meglio il comportamento del plasma quark-gluoni.

ArXiv: Cold Nuclear Matter Effects on J/ψ Yields as a Function of Rapidity and Nuclear Geometry in d+A Collisions at √sNN =200 GeV

Nuovi indizi dagli studi sulla materia primordiale

Il diagramma nucleare delle fasi.
Credit: Brookhaven National Laboratory

Un recente articolo apparso sulla rivista Science riporta gli ultimi risultati che sono emersi dal collisore Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) presso il Brookhaven National Laboratory che opera in sinergia con il programma gemello del Large Hadron Collider (LHC) del CERN. Questi risultati saranno presentati al meeting Quark Matter 2012 che si terrà a Washington dal 12 al 18 Agosto.

La materia nucleare si cela nei nuclei atomici e nelle stelle di neutroni” spiegano Barbara Jacak, professoressa di fisica presso la Stony Brook University e portavoce dell’esperimento PHENIX del RHIC, e Berndt Mueller, un fisico teorico della Duke University. Le collisioni tra ioni pesanti che sono state realizzate al RHIC sin dal 2000 e quelle più recenti di LHC hanno permesso di rendere accessibile questo campo di ricerca ricreando le condizioni estreme che caratterizzavano lo stato fisico dell’Universo primordiale su scale microscopiche. Le temperature raggiunte durante le collisioni, più di 4 trilioni di gradi, le più elevate mai ottenute in laboratorio, permettono di liberare per un brevissimo intervallo di tempo i quark e i gluoni che compongo i protoni e i neutroni della materia ordinaria in modo che gli scienziati possano studiarne le loro proprietà e interazioni. “I quark e i gluoni sono i mattoni fondamentali della materia ordinaria che esiste oggi nell’Universo, dalle stelle, ai pianeti agli esseri umani” spiega Jacak. “Comprendere l’evoluzione del nostro Universo implica conoscere la dinamica e la struttura di queste particelle nella loro forma più pura, una sorta di “zuppa” primordiale che i fisici chiamano plasma quark-gluoni (QGP)”. RHIC è stata la prima macchina ad aver dimostrato la formazione di questo plasma quark-gluoni e ad aver determinato le sue proprietà inaspettate. Uno dei risultati più sorprendenti è che il plasma QGP non si comporta come un gas piuttosto come un liquido quasi perfetto. La bassa viscosità della materia, che risulta la più bassa teoricamente possibile, la sua abilità a bloccare getti di particelle energetiche e la sua capacità ad acquisire una elevata temperatura di equilibrio suggeriscono che le componenti del fluido sono accoppiate o interagiscono molto intensamente. Un’altra sorpresa alquanto intrigante deriva dal fatto che per descrivere questi particolari sistemi fisici fortemente accoppiati si possono utilizzare i metodi matematici della teoria delle stringhe e dei buchi neri che occupano dimensioni extra. Tuttavia,  le cui ragioni fisiche per cui debbano esistere queste relazioni rimangono un mistero. Questi risultati sono stati successivamente confermati nel 2010 da LHC anche se con un livello di energia 14 volte superiore a quello del RHIC. “Le due macchine sono complementari” afferma Mueller il cui lavoro sulla cromodinamica quantistica (QCD), cioè la teoria che descrive l’interazione tra quark e gluoni, aiuta a pianificare gli esperimenti e ad interpretare i risultati per entrambi gli esperimenti. “Sia RHIC che LHC sono essenziali verso la comprensione delle interazioni subatomiche che hanno governato durante le fasi iniziali della storia dell’Universo e di come esse hanno dato forma alla materia ordinaria che vediamo oggi”.  

Uno degli studi essenziali degli esperimenti sarà focalizzato sull’esplorazione del cosiddetto “diagramma nucleare delle fasi” che descrive come evolve e si comporta la materia su un ampio intervallo di energie, temperature e densità. Oggi, le capacità del RHIC permettono di esplorare la fase di transizione dalla materia ordinaria alla fase QGP, simile a quella in cui l’acqua, ad esempio, cambia fase passando da ghiaccio a liquido e da liquido a gas.

Maggiori info: The Exploration of Hot Nuclear Matter