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Siamo gocce di universo

Creato il 12 dicembre 2018 da Media Inaf

Quale fosse lo stato della materia subito dopo il bing bang e di cosa fosse costituita questa materia, sono domande alle quali da diversi anni gli scienziati di tutto il mondo cercano di dare una risposta.  Se da un lato sembra improbabile che in quegli istanti le particelle abbiano formato atomi,  viste le temperature troppo elevate per la loro formazione, dall’altro si è ipotizzato uno stato della materia che gli addetti ai lavori chiamano in inglese a liquid-like state of matter, cioè uno stato della materia simil-liquido chiamato plasma di quark e gluoni, abbreviato in Qgp: Quark-Gluon Plasma. Uno stato della materia che esiste solamente a temperature e/o densità estremamente elevate che si ritiene abbia riempito l’universo nei primi secondi della sua esistenza. Un simile universo primordiale, il cui stato della materia è costituito da queste gocce di quark e gluoni, può essere ricreato in laboratorio facendo scontrare nuclei di atomi pesanti a velocità ed energie ultrarelativistiche.  È esattamente quello che hanno fatto un gruppo di scienziati all’interno del Brookhaven National Laboratory, nella contea di Suffolk, a New York, attraverso l’esperimento Phenix (Pioneering High Energy Nuclear Interaction eXperiment): uno dei quattro esperimenti che utilizzano un Relativistic Heavy Ion Collider (Rhic). Semplificando, e non di poco, il Rhic è un lungo tubo dove vengono sparati ioni o atomi a velocità relativistiche prossime a quella della luce che finiscono per scontrarsi generando appunto il plasma in questione.

Gli autori dell’articolo, pubblicato su Nature Physics, hanno condotto una serie di test nei quali hanno fatto scontrare protoni e neutroni in combinazioni diverse. E quello che hanno scoperto è che si potevano generare goccioline di plasma di quark e gluoni, quello stato simil-liquido della materia di cui abbiamo accennato, che si espandevano formando tre diverse figure geometriche: circolare, ellittica e triangolare. La novità sta nel fatto che queste gocce non si sono formate dallo scontro di nuclei di atomi pesanti ma da quello di protoni. Ma andiamo con ordine.

Gli scienziati hanno iniziato a studiare questa materia primordiale, utilizzando il Relativistic Heavy Ion Collider (Rhic) di Brookhaven, nel 2000.  In quegli studi (ne abbiamo parlato qui su Media Inaf) facendo scontrare nuclei pesanti di atomi d’oro, si sono generate temperature di trilioni di gradi centigradi, migliaia di miliardi di gradi, che hanno formato quark e gluoni liberi, cioè non più confinati all’interno del nucleo atomico.
Diversi anni dopo, un altro gruppo di ricercatori, ha riferito di aver creato un plasma di quark e gluoni, non facendo collidere due atomi, ma facendo collidere solo protoni. Ciò è stato sorprendente perché la maggior parte degli scienziati pensava che, a differenza dei nuclei degli atomi pesanti,  i singoli protoni non potessero fornire energia sufficiente a produrre un fluido come il plasma di quark e gluoni.

Il gruppo di ricercatori autori dell’articolo ha allora escogitato un modo per testare questi risultati, cioè per dimostrare che quello prodotto dallo scontro di protoni fosse veramente plasma, fluido primordiale. Si sono detti: se tali minuscole goccioline, prodotte dalla collisione dei protoni contro un atomo più grande, si comportano come un fluido, allora, durante la loro espansione nel vuoto del collisore, le gocce dovrebbero mimare esattamente le forme delle increspature prodotte nell’acqua dal lancio di una, due o tre pietre, rispettivamente.  Ma cosa vuol dire? vi starete chiedendo.  Come spiegano gli stessi autori: «Immaginate di avere due goccioline che si stanno espandendo nel vuoto. Se le due goccioline sono vicine, si incontrano durante l’espansione creando una sequenza di figure geometriche simile a quella che si crea quando si lanciano due pietre in uno stagno: le increspature dell’acqua delle singole pietre svaniranno formando una geometria che assomiglia a un’ellisse». È quello che potrebbe verificarsi facendo scontrare la coppia protone-neutrone del deuterio, particelle equivalenti dal punto di vista della forza forte. Allo stesso modo, un trio protone-protone-neutrone, come quello dell’atomo di elio-3, potrebbe produrre gocce di plasma che si espandono con una forma simile a un triangolo. Questo è quello che accadrebbe se i protoni riuscissero a formare plasma. Ecco, questo è esattamente quello che è stato scoperto con l’esperimento Phenix: le collisioni del deuterio (ovvero di “due protoni” contro un atomo più grande) ha formato gocce di quark e gluoni a forma di ellissi, la collisione dell’atomo di elio-3 (“tre protoni” contro un atomo più grande) ha formato gocce triangolari, mentre lo scontro di singoli protoni ha prodotto gocce di  forma circolare. Questi risultati sembrerebbero confermare quindi che è possibile creare plasma di quark e gluoni dai protoni e inoltre, secondo i ricercatori, potrebbero aiutare a capire meglio come il plasma primordiale, la materia generatrice primordiale, si sia raffreddata in pochi millisecondi, dando origine ai primi atomi esistenti.

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