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Un mini Big Bang ottenuto con i nuclei atomici più piccoli mai usati finora: è questo il risultato che arriva dai laboratori del CERN, l’Organizzazione europea per la ricerca nucleare, dove un esperimento ha mostrato che lo stato della materia tipico dei primissimi istanti dell’universo può formarsi anche in scontri molto meno imponenti di quanto i fisici immaginassero. In altre parole, per ricreare quella che in divulgazione viene chiamata zuppa primordiale non servono per forza collisioni tra nuclei pesanti come il piombo.
Il nome tecnico di quella materia è plasma di quark e gluoni, sigla QGP dall’inglese. Da qualche anno i grandi acceleratori riescono ad accedere a questo stato, che rappresenta una sorta di fotografia dell’universo appena nato. Il punto, adesso, non è più soltanto produrlo, ma capire fino a che punto si può rimpicciolire lo scontro continuando a vedere gli stessi effetti.
Cos’è davvero la zuppa primordiale
Un po’ di contesto aiuta. Secondo il modello standard delle particelle, i quark compongono protoni e neutroni, che a loro volta sono i mattoni dei nuclei atomici. I gluoni, il cui nome deriva dall’inglese glue, cioè colla, trasmettono l’interazione che tiene insieme i quark. Un meccanismo elementare, sulla carta, ma con conseguenze enormi su tutto ciò che esiste.
Nei primi microsecondi di vita dell’universo le temperature erano talmente estreme che quark e gluoni non se ne stavano ancora chiusi dentro protoni e neutroni. Vagavano liberi, in una specie di plasma incandescente. Poi l’universo si è espanso, si è raffreddato, e i quark sono rimasti confinati dentro le particelle che molto più tardi avrebbero formato i nuclei degli atomi.
Oggi, ovviamente, non esiste una fonte naturale accessibile di quella materia. L’unico modo per avvicinarsi consiste nel far scontrare nuclei atomici a velocità prossime a quella della luce, generando condizioni estreme simili a quelle dell’universo primordiale. Da qui l’espressione mini Big Bang, che rende bene l’idea anche a chi non frequenta la fisica delle particelle.
Ossigeno e neon, i protagonisti inattesi
Dopo decenni passati a studiare il QGP nelle grandi collisioni nucleari, i ricercatori si sono spostati su un’altra domanda: quali sono i limiti di questo strano stato della materia? Fino a che dimensione minima un insieme di particelle continua a comportarsi collettivamente, come una goccia di fluido? La comunità scientifica è piuttosto sicura che la zuppa primordiale compaia nell’urto tra nuclei grandi, il piombo appunto. Ma sono state esplorate anche situazioni insolite, come la collisione tra un nucleo di piombo e un protone, oppure l’impatto tra due protoni.
Il nuovo lavoro, pubblicato su Physical Review Letters, arriva dalla Collaborazione ALICE e presenta i risultati di collisioni tra nuclei ben più piccoli di quelli usati tradizionalmente: ossigeno-16 e neon-20. Numeri modesti, in termini di massa, eppure sufficienti.
“Abbiamo superato i limiti della dimensione minima che possono avere i nuclei atomici pur continuando a ricreare questa materia primordiale, ciò che potremmo chiamare un piccolo Big Bang. Adesso sappiamo di più sulle condizioni fondamentali necessarie perché la materia transiti verso questo stato estremo”, ha spiegato in un comunicato You Zhou, ricercatore del Niels Bohr Institute e membro della Collaborazione ALICE.
Cosa hanno visto i rivelatori
Nonostante le dimensioni ridotte dei nuclei di ossigeno e neon, le collisioni hanno prodotto segnali del comportamento che i fisici si aspettavano di trovare nel plasma di quark e gluoni. Per un istante brevissimo la materia generata sembrava espandersi collettivamente, come farebbe un fluido, prima di raffreddarsi e tornare a trasformarsi in particelle. È esattamente la firma che si cerca quando si parla di QGP, e ritrovarla in un sistema così ridotto sposta il confine di quanto si riteneva possibile. “Speriamo che questo ci aiuti a comprendere meglio come si è comportato il plasma durante i primi istanti dell’universo, e come si è poi evoluto fino a diventare le forme di materia che compongono tutto ciò che ci circonda”, ha aggiunto Zhou.
