I fisici hanno fatto schiantare insieme nuclei d’oro quasi alla velocità della luce e hanno scoperto uno schema inaspettato nelle particelle di queste collisioni. Se confermato, questo schema potrebbe aiutare a rivelare come il brodo caldo di quark e gluoni che riempì l’universo nei primi microsecondi dopo il Big Bang si raffreddò e si condensò nei protoni e neutroni che compongono l’universo oggi.
In ogni collisione le particelle vengono scagliate via; la forza con cui vengono lanciati, in media, varia leggermente da una collisione all’altra. I fisici si aspettavano che la dimensione di questa variabile cambiasse gradualmente man mano che regolavano la forza di collisione. Invece, la diversità è diminuita, diminuita e cresciuta di nuovo. Questo calo potrebbe essere un segno di un “punto di svolta”, uno speciale insieme di condizioni in cui il materiale nucleare cambia il modo in cui passa da uno stato all’altro.
Il segnale, rilevato dalla sonda STAR al Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) presso il Brookhaven National Laboratory di New York, è abbastanza forte da rendere improbabile che costituisca un rischio statistico. Tuttavia, i ricercatori hanno avvertito che il calo è un segnale allettante, non la prova di un cambiamento a lungo cercato. Hanno pubblicato i loro risultati il 22 settembre sulla rivista Lettere di revisione fisica.
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Il libro di legge della materia estrema
Protoni e neutroni sono fatti di minuscole particelle chiamate quark, legate insieme”forza potente” trasportato da particelle chiamate gluoni. Quando riscaldati o compressi sufficientemente, protoni e neutroni si fondono in una zuppa calda di quark e gluoni liberi nota come plasma di quark e gluoni. Si pensa che questa zuppa originale di particelle. riempì l’universo nei primi millisecondi dopo il Big Bang.
I fisici vogliono documentare come è avvenuta questa preparazione della zuppa, misurando quella che viene chiamata figura statale delle questioni nucleari. “Con l’acqua, ti dice come sono collegate pressione, temperatura e densità, quindi quando si congela, bolle o si espande”, ha detto un autore dello studio. Rutik Manikandhanfisico post-dottorato presso la Ohio State University, ha detto a WordsSideKick.com via e-mail. Nel caso del nucleo, “è la legge fondamentale della materia in condizioni ambientali estreme, come i nuclei delle stelle di neutroni”, ha detto Manikandhan.
Il “punto critico” è un simbolo importante in quel libro di legge. “Nell’acqua, è il punto in cui il confine tra liquido e vapore scompare”, ha detto Manikandhan, e i teorici sospettano da tempo che la questione nucleare abbia un punto simile. A temperature molto elevate, la materia si scioglie dolcemente e lentamente nel plasma di quark e gluoni, ma ad alte densità il cambiamento può essere improvviso.
Un punto critico segnerà il momento in cui una forma di cambiamento si trasforma in un’altra. Alcune statistiche recenti collocano questo punto nel punto in cui si scontra la bassa potenza del RHIC. “Ma tutto questo è ancora allo studio e nulla è ancora concreto, né da parte dei ricercatori né degli scienziati”, ha detto Manikandhan.
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Questo lavoro è importante anche in cosmologia. “Perché la materia che creiamo in questa collisione è la stessa che riempì l’universo pochi microsecondi dopo. il Big Bang“mappare il suo comportamento ci aiuta a capire come l’universo si è evoluto da una zuppa calda di quark e gluoni ai protoni e neutroni che compongono tutto oggi”, ha detto Manikandhan.
La parte centrale del rivelatore STAR a tre stadi del Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). Gli scienziati hanno recentemente utilizzato il rilevatore per studiare le condizioni dell’universo primordiale, pochi millisecondi dopo il Big Bang.
(Credito fotografico: Laboratorio nazionale Brookhaven)
Un calo in cui ci si aspettava un andamento regolare
Per testare quest’area, i ricercatori hanno utilizzato RHIC con una gamma di energie di collisione. Minore è la forza, più compresso risulta l’oggetto. Nella sua corsa a bassa potenza, STAR ha utilizzato una configurazione a “bersaglio fisso”, in cui un raggio di nuclei d’oro ha colpito “una piccola piastra d’oro incorporata all’interno del rilevatore”, ha detto Manikandhan, invece di un secondo raggio in arrivo. Questo produce il materiale più denso che RHIC può produrre.
L’energia di collisione viene misurata in elettronvolt (l’energia che un elettrone guadagna quando accelerato a 1 volt). Si tratta di una piccola quantità, quindi i fisici delle particelle di solito lavorano in miliardi di elettronvolt, o giga elettronvolt (GeV). Un GeV è all’incirca l’energia contenuta nella massa di un protone, secondo la famosa equazione di Einstein E = mc.2. Il team ha analizzato circa 1 miliardo di collisioni a energie comprese tra 3 e 7,7 GeV con ciascuna coppia di protoni o neutroni in collisione. Questo è al di sotto della gamma RHIC, che raggiunge i 200 GeV.
In ogni collisione, il team ha misurato la quantità di particelle fortemente cariche che venivano lanciate lateralmente all’esterno della palla di fuoco, una quantità nota come momento trasversale. I ricercatori hanno poi cercato le correlazioni tra le particelle. La correlazione misura quanto spesso due cose cambiano insieme. Qui, il team ha testato se coppie di particelle provenienti dalla stessa collisione tendono ad essere lanciate più forte della media, o entrambe con maggiore delicatezza. Ciò rivela qualcosa sulla palla di fuoco nel suo insieme. Se la palla di fuoco diventa più calda o più forte, tutte le sue particelle ricevono un calcio laterale più combinato.
“Questa correlazione mostra quanto fluttuano la temperatura e il flusso della palla di fuoco”, ha detto Manikandhan.
In prossimità del punto critico, si prevede che la capacità termica della materia, ovvero la quantità di energia necessaria per aumentarne la temperatura, aumenterà. Ciò rende difficile spostare la temperatura della palla di fuoco, quindi la correlazione dovrebbe essere debole. “Se la materia si avvicina a un punto critico o a un cambiamento di fase, ci aspetteremmo di vedere quel rapporto cambiare in un modo insolito e non uniforme mentre cambiamo la dinamica della collisione”, ha detto Manikandhan.
Questo è ciò che la squadra ha visto in molti giochi di collisione. “Invece di un cambiamento graduale di intensità, la consistenza mostra un calo”, afferma Manikandhan. I ricercatori hanno confrontato i dati con l’andamento regolare stabilito dalle precedenti misurazioni STAR a energie più elevate. Il calo rispetto a questa tendenza è pari a una significatività statistica di 5 sigma, che i fisici standard di solito cercano prima di considerare un segnale come reale. Ciò significa che se il trend reale fosse regolare, una dispersione casuale dei dati produrrebbe un calo pronunciato solo una volta su 3,5 milioni di tentativi.
“La tendenza al livellamento è quella che ci si aspetterebbe dalla normale materia nucleare, quindi il calo suggerisce che sta succedendo qualcosa di interessante in quelle condizioni”, ha detto Manikandhan.
Al contrario, le simulazioni computerizzate di collisioni ampiamente utilizzate, che non contengono un punto critico, riproducono la tendenza generale ma non il calo. La collisione esterna del mezzo ha mostrato solo un debole barlume della stessa caratteristica, troppo debole per essere considerata una prova di per sé.
Non è ancora l’ultima parola
“Il risultato è indicativo, non la prova di un punto critico”, ha detto Manikandhan. Anche effetti non correlati al punto critico possono modellare queste fluttuazioni, e quanto del calo possano spiegare non è ancora chiaro, hanno osservato i ricercatori.
Tuttavia, il calo “indica una serie di condizioni in cui il comportamento delle questioni nucleari cambia, e offre ai teorici una misura nuova e più accurata con cui testare i loro calcoli”, ha detto Manikandhan.
Successivamente, il team prevede di utilizzare i collegamenti per “estrarre il calore specifico della materia calda”, ha affermato Manikandhan. Lo confronteranno quindi con simulazioni di supercomputer che calcolano il comportamento di quark e gluoni partendo dai principi primi.
I ricercatori intendono anche testare il calo rispetto a diversi modelli teorici e combinarlo con altre misurazioni, come i cambiamenti nel numero di protoni prodotti nella collisione. “È solo quando le diverse misurazioni concordano che possiamo dire con sicurezza che i risultati sono raggiunti”, ha detto Manikandhan.
Aboona, BE, Adam, J, Adamczyk, L, Aggarwal, I, Aggarwal, MM, Ahammed, Z, Alshammri, AK, Aschenauer, EC, Aslam, S, Atchison, J, et al. (2026). Non monotonicità delle correlazioni del momento trasverso nelle collisioni Au+A al RHIC. Lettere di revisione fisica, 137(13), 132301.