Le fasi della materia dal Big Bang a oggi

Il diagramma delle fasi atomiche dell’esperimento STAR. Crediti: Brookhaven National Laboratory

L’Universo appena nato non doveva essere granché ospitale: temperature elevatissime e davvero poco spazio in cui stare, tanto era alta la densità. Piano piano però l’Universo ha cominciato a espandersi e a raffreddarsi, e così le particelle primordiali si sono distanziate e hanno dato vita alle strutture cosmiche che osserviamo oggi.

Ma come ha fatto la “zuppa” bollente di particelle subatomiche (in particolare quark) a trasformarsi nella materia ordinaria dell’Universo attuale? Per rispondere con certezza, bisognerebbe andare indietro di 13,8 miliardi di anni e osservare ciò che è successo. O forse no: basta ricreare le condizioni immediatamente successive al Big Bang. È uno degli obiettivi del Brookhaven National Laboratory (BNL) a Upton, nello stato di New York, che facendo schiantare tra loro i nuclei atomici può riprodurre le estreme temperature e densità dell’Universo primordiale. Grazie al Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), collisore di ioni pesanti unico al mondo, i fisici riescono infatti a ricostruire la zuppa primordiale niente meno che migliaia di volte al secondo.

Questa enorme quantità di dati è stata elaborata all’interno della collaborazione STAR, un esperimento del BNL che utilizza rilevatori delle dimensioni di una casa. E che ha descritto ciò che accade quando collisioni a temperature di trilioni di gradi danno origine alle forme di materia conosciute.

I primi risultati appariranno in un articolo che sarà pubblicato su Physical Review Letters, e suggeriscono che il passaggio da uno stato all’altro della materia dipenda dall’energia posseduta dalle particelle quando si scontrano.

Il paragone è quello con le familiari fasi dell’acqua – solida, liquida e gassosa – che sono identificate da criteri precisi; allo stesso modo, i ricercatori hanno cercato di costruire un’analoga “mappa” della materia nucleare.

Partiamo dalle energie più alte: nel collisore RHIC, tali energie corrispondono anche alle temperature più elevate, circa 4 trilioni di gradi Celsius. In questo stadio non è possibile identificare fasi separate, come invece si può fare per il ghiaccio fondente che da solido diventa liquido. A differenza dell’acqua, quindi, per la materia nucleare il passaggio dai nuclei atomici normali alla zuppa bollente di quark avviene in un modo continuo e graduale. E così l’inizio del diagramma non corrisponde a un punto definito, ma una specie di curva, che copre i primi caldissimi istanti dopo il Big Bang.

Le cose cambiano a energie più basse: qui la “zuppa” di quark viene formata a temperature meno elevate, e questo corrisponde a una soglia molto più definita. I fisici l’hanno chiamata “fase di transizione di primo ordine”, proprio sulla falsariga delle fasi di transizione dell’acqua. La caratteristica distintiva di questa fase è il calore latente, ovvero una grande quantità di energia che viene assorbita o rilasciata dalla materia quando le particelle si trovano a particolari temperature e densità.

“Pensiamo a una pentola d’acqua sul fornello: la temperatura aumenta fino a che non si raggiunge il punto di ebollizione, 100 gradi Celsius in normali condizioni di pressione atmosferica” spiega Jamie Dunlop, fisico dell’esperimento STAR. “L’acqua allo stato liquido resterà esattamente a quella temperatura finché ci sarà acqua che bolle; a quel punto l’energia (il calore latente), spingerà le molecole a passare dallo stato liquido a quello gassoso. Quindi il passaggio di fase avviene in una precisa soglia temporale, quando all’aumentare della temperatura tutte le molecole vanno allo stato gassoso”.

Lo stesso avviene nella fase di transizione di primo ordine della materia: il passaggio avviene in una definita soglia temporale nel corso delle collisioni tra particelle.

L’individuazione di questo punto preciso sulla mappa della materia è un traguardo fondamentale per poter fare confronti con il mondo fisico che conosciamo e abbiamo sotto gli occhi tutti i giorni. Ora il prossimo obiettivo sarà la ricerca di quello che gli scienziati chiamano il “punto critico”, ovvero il punto più estremo del diagramma. In altre parole, la fine: ciò che delimita la soglia ultima della materia atomica, prima di assumere la forma che vediamo oggi.

Fonte: Media INAF | Scritto da Giulia Bonelli