LHC fa luce sui segreti della materia

Un esperimento all'LHC suggerisce l'esistenza di un nuovo stato della materia dalle proprietà inattese. È questa la forma della materia a un microsecondo dal Big Bang e da cui si è formato l'Universo?

collisioni

L'LHC, il Large Hadron Collider, il più potente strumento mai costruito per esplorare i segreti della materia, non delude le aspettative e, anzi, continua a rivelare segnali di una nuova fisica, che per i fisici teorici sono rompicapo da risolvere e collocare all'interno di un quadro del quale ancora non si conosce del tutto lo schema.

Perché siamo fatti così...

Come è nata la materia che conosciamo? Perché proprio questa materia e non un'altra?

Il risultato più recente è quello appena pubblicato in un articolo in cui vengono presentate le prime osservazioni della collisione tra protoni e ioni di piombo, in un esperimento condotto al CMS (il Compact Muon Solenoid, un segmento dell'LHC). Quello che i ricercatori hanno trovato è un comportamento imprevisto, un effetto di correlazione tra coppie di particelle che si formano nella collisione molto più frequente di quanto ci si aspetta, paragonabile a quello già osservato nella collisione tra ioni.
 
Questa correlazione è stata interpretata da Raju Venugopalan (Brookhaven National Laboratory) e Kevin Dusling (North Carolina State University), fisici teorici, come l'effetto dell'espansione di un nuovo stato della materia, il Color Glass Condensate, concettualmente simile a un fluido fortemente interagente e a viscosità quasi nulla. L'onda di espansione di questo fluido fatto di gluoni può trasportare nella stessa direzione alcune particelle, correlando così le loro direzioni di fuga.

La teoria prevede che ioni pesanti che viaggiano a velocità prossime a quelle della luce, se fatti scontrare tra loro, possano riprodurre, per un tempo molto breve, condizioni simili a quelle che si presume fossero presenti nell'universo il microsecondo successivo al Big Bang. In queste condizioni di energia e densità altissime si può formare una nuova fase della materia, il cosiddetto plasma di quark e gluoni (QGP), in cui quark e gluoni non sono più confinati negli adroni - e cioè protoni e neutroni - e le cui caratteristiche possono essere dedotte confrontando la distribuzione delle particelle che si sprigionano dal punto di collisione.
 
Quello che è stato osservato, a partire dal 2008, nella collisione tra ioni (anziché tra ioni e protoni), è che circa ogni due milioni di collisioni viene prodotta una coppia particelle cariche che viaggiano nella stessa direzione. Nel settembre 2010 CMS ha però rilevato lo stesso effetto nelle collisioni tra protoni, in una situazione cioè in cui non ci sono le condizioni per dare vita al plasma di quark e gluoni.
 
Un mese fa l'esperimento CMS ha ottenuto la conferma di una correlazione che si presenta con una frequenza paragonabile a quella osservata nel caso delle collisioni ione-ione. I dati raccolti non sono però ancora sufficienti: tutto diventerà più chiaro con gli esperimenti del 2013 che dovrebbero produrre un campione di eventi almeno un migliaio di volte maggiore (2 miliardi anziché 2 milioni). I nuovi risultati permetteranno studi di correlazione più dettagliati e potranno aprire un nuovo terreno di prova per le domande di base nella fisica dei sistemi e sulla natura dello stato iniziale delle collisioni nucleari.

Il protone e il neutrone sono composti in media di tre quark detti di valenza (u,u,d, e u,d,d rispettivamente) che determinano la loro identità di protone o di neutrone e sono tenuti insieme dalla interazione forte mediata dai gluoni (le molle nere in figura). Ciascun gluone può nel suo cammino dividersi in due gluoni e anche materializzarsi in una coppia quark-antiquark: ne risulta un sistema molto complesso e in continuo cambiamento.

30 Novembre 2012 | Giuseppe Liberti