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Il quark-gluon plasma nasconde una forza che finora era rimasta in secondo piano, quasi ignorata dalla maggior parte degli studi, e che potrebbe cambiare il modo in cui viene interpretato lo stato di materia più caldo mai prodotto in laboratorio. Quando i nuclei atomici si scontrano a velocità vicine a quella della luce generano per un istante brevissimo questa sostanza estrema, dove quark e gluoni si muovono liberamente. Nuove simulazioni suggeriscono che l’accelerazione giochi un ruolo molto più importante di quanto si pensasse, spingendo l’espansione violenta di questa specie di palla di fuoco.
Il quark-gluon plasma si comporta come un fluido quasi perfetto e offre agli scienziati una finestra rara sulle condizioni presenti pochi istanti dopo il Big Bang. Per anni l’attenzione si è concentrata sui vortici del plasma e sui suoi potenti campi elettromagnetici. L’accelerazione, invece, era rimasta ai margini, nonostante contribuisca in modo diretto alla rapida espansione della sfera infuocata. Nell’idrodinamica l’accelerazione conta esattamente quanto la vorticità, un po’ come i campi elettrico e magnetico pesano allo stesso modo nell’elettromagnetismo.
Come cambia l’accelerazione tra le diverse energie di collisione
Un gruppo di ricerca guidato dai fisici Yu-Gang Ma e Xu-Guang Huang dell’Università Fudan ha voluto tracciare la mappa di come questa accelerazione si forma e si trasforma dentro il plasma. Per farlo hanno combinato due modelli di trasporto di particelle molto usati, chiamati AMPT e UrQMD, con un metodo di smoothing gaussiano. In pratica questa tecnica trasforma le distribuzioni delle singole particelle in campi continui di energia, momento e velocità, permettendo di studiare il plasma come un fluido che evolve nel tempo.
Con questo approccio hanno seguito l’accelerazione lungo un intervallo di energie di collisione che va da 3,5 GeV fino a 2,76 TeV. “L’accelerazione non è soltanto un dettaglio cinematico, potrebbe agire come un parametro di controllo termodinamico della materia QCD” spiega il professor Huang. Le simulazioni hanno mostrato che il picco di accelerazione propria può raggiungere diverse centinaia di MeV, sia alle basse che alle alte energie. L’accelerazione trasversale più forte punta sempre verso l’esterno e si concentra vicino al bordo della palla di fuoco.
Quel bordo diventa un vero e proprio punto caldo perché la pressione crolla in fretta mentre la densità di entalpia resta bassa. Secondo l’equazione di Eulero relativistica queste due condizioni si rinforzano a vicenda e fanno schizzare in alto l’accelerazione. Il comportamento cambia a seconda dell’energia. Alle energie più basse l’arresto nucleare frena inizialmente la materia, con decelerazioni fino a circa 500 MeV. Alle energie ultrarelativistiche invece i nuclei si attraversano così in fretta da trascinare il plasma appena creato in impulsi brevi e intensi.
Un possibile nuovo strumento per governare la materia estrema
L’accelerazione potrebbe influenzare molto più del semplice movimento del plasma. Attraverso l’effetto Unruh, un osservatore in accelerazione percepirebbe lo spazio vuoto come un ambiente termico. Un’accelerazione di diverse centinaia di MeV somiglierebbe quindi a temperature vicine a quella della transizione QCD. Questo apre alla possibilità di aggiungere un vero e proprio asse dell’accelerazione alla struttura di fase della materia QCD, con effetti sia sulla transizione chirale sia su quella legata al confinamento dei quark.
Non solo. L’accelerazione potrebbe generare effetti di trasporto mai esplorati prima e influenzare l’allineamento degli spin delle particelle. Sono fenomeni che si aggiungerebbero a quelli prodotti dalla vorticità e che potrebbero aiutare a capire comportamenti di spin ancora irrisolti osservati al RHIC e all’LHC.
Il gruppo ora vuole inserire nei calcoli un’evoluzione idrodinamica più realistica e cercare segnali sperimentali capaci di svelare l’impronta dell’accelerazione, tra cui certi schemi nella polarizzazione dello spin degli iperoni. “Proprio come temperatura e densità definiscono il diagramma di fase della materia, l’accelerazione potrebbe aprire un nuovo asse di quel diagramma” ha dichiarato Huang. “Mappando questa dimensione nascosta del quark-gluon plasma speriamo di trasformare gli effetti quantistici non inerziali in segnali che gli esperimenti possano davvero misurare”.
