Il plasma di quark e gluoni: l’Universo in laboratorio

2. Il QGP in laboratorio

di Chiara Oppedisano

L’Universo primordiale, qualche milionesimo di secondo (microsecondo) dopo il Big Bang, era permeato da uno stato denso e caldo (la temperatura raggiungeva circa 10.000 miliardi di gradi!) in cui i quark e i gluoni erano liberi. La successiva rapida espansione, con conseguente diminuzione di densità e di temperatura, portò alla transizione da plasma di quark e gluoni a materia nucleare (neutroni e protoni) prima e successivamente alla formazione dei nuclei.

fig4 evoluzione universo

Fig.4: Schema dell'evoluzione dell'Universo primordiale. Evidenziate le zone di transizione dallo stato di plasma di quark e gluoni ai quark confinati che formano i nucleoni (neutroni e protoni), fino alla formazione dei nuclei atomici.

Per ricreare condizioni simili a quelle dell’Universo primordiale in laboratorio si fanno collidere ioni (ovvero atomi ai quali sono stati strappati gli elettroni) pesanti (ad esempio di piombo o di oro) accelerati a energie ultra-relativistiche (ossia prossime alla velocità della luce). Tra gli obiettivi principali di questo tipo di indagine vi sono lo studio dell’interazione forte, delle proprietà dei quark e dei gluoni liberi e la comprensione del meccanismo di confinamento che ha dato luogo alla creazione della materia nell’Universo in espansione.
In una collisione di nuclei pesanti ad altissime energie i quark che compongono neutroni e protoni interagiscono e si forma una zona molto calda e densa, chiamata in gergo “fireball”. Se la temperatura raggiunta supera il valore critico necessario alla transizione di fase, si verificano le condizioni per cui può formarsi il QGP. La “fireball”, così come l’Universo primordiale, si espande e si raffredda, finché i quark si ricombinano a formare particelle elementari, grazie all’energia disponibile che si trasforma in massa (E=mc2).
In queste collisioni si produce anche antimateria, ovvero particelle uguali a quelle che compongono la materia ordinaria (neutroni, protoni, elettroni…) ma con caratteristiche (carica elettrica, momento magnetico e intrinseco…) opposte, come anti-protoni, anti-neutroni e anti-nuclei leggeri (anti-deuterio, anti-elio…). In poche parole in laboratorio si ricrea un piccolo Big Bang o, come viene chiamato in gergo, un “Little Bang”.

  fig5 evoluzione tempo

Fig.5: Evoluzione temporale di una collisione di ioni pesanti a energie ultra-relativistiche. Gli ioni appaiono come dischi sottili a causa della contrazione di Lorentz (ci troviamo a una velocità prossima a quella della luce) nella direzione del moto. Nella zona d'interazione, che va espandendosi e raffreddandosi, si formano nuove particelle.


Attualmente questo tipo di ricerca sperimentale viene effettuato in due laboratori: al Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra e al Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) di Brookhaven negli Stati Uniti. Il CERN è attualmente il laboratorio in cui si raggiungono le energie più elevate (LHC accelera a energie oltre 10 volte maggiori rispetto a RHIC).

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