Al RHIC, l’acceleratore di particelle del Brookhaven National Laboratory negli Stati Uniti, le collisioni tra nuclei di ossigeno hanno prodotto una soppressione del 20% delle particelle ad alta energia. Il risultato è un indizio della formazione del plasma di quark e gluoni (QGP), uno stato della materia che esisteva nei primi microsecondi dopo il Big Bang.
Il QGP è composto da quark e gluoni, i costituenti di protoni e neutroni. Studiare questo plasma aiuta a capire come si siano formate le particelle che costituiscono la materia e può offrire informazioni su altri problemi della fisica, tra cui i limiti della stabilità dei nuclei e la ricerca di particelle esotiche come le particelle X. Il plasma, però, dura pochissimo e non può essere osservato direttamente: per individuarne la presenza, i fisici analizzano le particelle prodotte nelle collisioni, usando rivelatori come STAR, installato al RHIC.
«Uno dei metodi più efficaci per studiare il QGP consiste nell’individuare dove compaiono i suoi segnali distintivi e, altrettanto importante, dove scompaiono», ha dichiarato Li Yi, professore di fisica alla Shandong University e partecipante allo studio. Uno di questi segnali è la soppressione dei getti: le particelle ad alta energia perdono energia attraversando la materia calda e densa generata dalla collisione.
Quando due nuclei pesanti si scontrano, i loro confini collassano e protoni e neutroni vengono liberati insieme ai quark e ai gluoni che li compongono. L’energia liberata, in accordo con la relazione di Einstein E=mc², può dare origine al QGP. Poiché il plasma è più piccolo dei nuclei che si scontrano, i ricercatori ne ricostruiscono le proprietà osservando le particelle che ne escono. Alcune arrivano ai rivelatori con meno energia del previsto: è come se avessero perso energia attraversando il plasma.
Per studiare questo effetto, i fisici analizzano i getti, cioè flussi di particelle energetiche prodotti nelle collisioni. In particolare, osservano coppie di getti che emergono vicino al margine della zona d’impatto. La perdita di energia dei getti è considerata un segnale importante della presenza del QGP.
In precedenza, al RHIC la soppressione dei getti era stata osservata nelle collisioni tra nuclei d’oro, molto più grandi di quelli di ossigeno: ciascun nucleo d’oro contiene 78 protoni e 118 neutroni. In quelle collisioni, le particelle a energia più bassa si muovono collettivamente, con un comportamento simile a quello di un liquido perfetto, privo di resistenza. I ricercatori si sono quindi chiesti se segnali analoghi potessero comparire anche in un sistema più piccolo e semplice. Ogni nucleo di ossigeno contiene otto protoni e otto neutroni.
Il gruppo ha analizzato le collisioni tra nuclei di ossigeno avvenute al RHIC nel 2021, a un’energia di 200 miliardi di elettronvolt (GeV). I dati mostrano una soppressione del 20% delle particelle ad alta energia, un effetto attribuito alla perdita di energia dei getti. La riduzione è inferiore a quella osservata nelle collisioni con nuclei d’oro e di piombo, ma costituisce comunque un indizio della formazione del QGP.
Anche i ricercatori del Large Hadron Collider (LHC) del CERN hanno studiato collisioni tra nuclei di ossigeno, permettendo un confronto tra i risultati dei due acceleratori. «Stiamo ampliando i confini della ricerca in due direzioni per esplorare le condizioni minime necessarie a creare un QGP: da un lato, studiando collisioni tra nuclei di ossigeno, più piccoli; dall’altro, analizzando dati ottenuti a energie di collisione inferiori. E continuiamo a osservare questo segnale cruciale del QGP. È un aspetto unico della nostra misurazione», ha spiegato in un comunicato stampa Rongrong Ma, fisico del gruppo STAR al Brookhaven National Laboratory.
Nei prossimi anni, l’aggiunta del nuovo rivelatore sPHENIX all’apparato del RHIC dovrebbe consentire di approfondire lo studio delle collisioni tra nuclei di ossigeno.
Fonte: interestingengineering.com
