La zuppa primordiale delle origini dell'Universo ricostruita in laboratorio

Per la prima volta in laboratorio è stata riprodotta la “zuppa di plasma” che si formò immediatamente dopoil Big Bang. Forse ci permetterà di capire meglio com'è nato l’Universo.

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I tre disegni mostrano le tre forme delle goccioline di plasma primordiale, ossia quello che si formò subito dopo il Big Bang, ottenute in un laboratorio americano. Si può sostenere che la Zuppa primordiale dell'Universo era un "liquido"|Javier Orjuela Koop

Quando nacque l'Universo le condizioni della materia non erano nella forma che conosciamo oggi. Si ipotizza che negli istanti immediatamente successivi a quello che chiamiamo Big Bang l'Universo si trovasse in uno stato che viene definito talvolta come “zuppa di quark” e talvolta, in modo più a preciso, come “plasma di quark e gluoni”.

 

Indietro le lancette! Per capire le caratteristiche di quelle condizioni, gli scienziati finora avevano effettuato analisi soprattutto da un punto di vista teorico; ora però  un gruppo di ricercatori ha fatto sapere di essere andato oltre, riuscendo a plasmare (e dunque a riprodurre), in laboratorio, alcune piccolissime gocce di questa zuppa: un lavoro che forse ci permetterà di riportare le lancette dell'orologio dell'Universo ai primi microsecondi della sua vita.

 

Il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) del Brookhaven National Laboratory di New York | RHIC

Le gocce di plasma di quark e gluoni sono state create in tre forme geometriche diverse - cerchi, ellissi e triangoli - utilizzando un potente collisore di particelle dove vengono fatti scontrare protoni e neutroni ad altissime velocità e temperature.

 

Uno dei risultati chiave dell'esperimento, pubblicato su Nature Physics, è la dimostrazione che le piccole gocce di plasma si comportano come fluidi anche alle scale più piccole: si tratta di qualcosa che gli scienziati credevano fosse impossibile, ma di cui ora  avrebbero le prove.

 

Che zuppa è questa? Spiega Jamie Nagle dell'Università di Colorado di Boulder: «Il nostro risultato sperimentale ci ha portato a creare la “materia” dell'Universo così com’era negli istanti immediatamente successivi al Big Bang». Ma cos'è esattamente la zuppa di plasma di quark e gluoni? Si tratta di uno stato simile al liquido, ma che esiste solo a temperature molto elevate, dove le condizioni sono troppo calde per formare gli atomi così come li conosciamo nella materia ordinaria.

 

Il plasma primordiale dà origine a tre tipi di "goccioline": sferiche, ellittiche e triangolari come qui rappresentate nel grafico | PHENIX, Nature 2018

Quella zuppa è composta proprio da quark e gluoni, particelle elementari che probabilmente non sono ulteriormente suddivisibili e che, combinandosi tra loro, danno origine ai protoni e ai neutroni (gli elementi base che insieme agli elettroni formano gli atomi). Le temperature di cui stiamo parlando si aggirano attorno ai 4.000 miliardi di gradi Celsius, centinaia di migliaia di volte la temperatura che si trova nel nucleo del Sole.

 

A che serve tutto ciò. Era dall'inizio del secolo che esperimenti presso il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) del Brookhaven National Laboratory di New York facevano pensare all’esistenza di plasmi di quark e gluoni con comportamento simile ai fluidi quasi perfetti, ma non se n'era mai avuta la prova certa. L'esperimento che ha portato a sostenere la scoperta sta nel fatto che le goccioline di zuppa di quark e gluoni mantengono la loro forma anche nelle dimensioni più piccole.

 

E - stando agli scienziati - i cerchi, le ellissi e i triangoli risultanti sono la prova più forte di un comportamento simile a quello di un fluido di plasma primordiale. Questo tipo di ricerca presenta una serie di difficoltà da affrontare, una delle principali risiede nel fatto che i tempi nei quali questi eventi accadono (e durante i quali è dunque possibile condurre le attività di analisi) sono estremamente brevi.

La ricerca permette dunque di avere un'idea di come era fatto l'Universo primordiale, consentendo di avvicinarci sempre più alle condizioni del Big Bang, ma ci permetterà anche di capire meglio come la zuppa di quark e gluoni si sia successivamente trasformata per diventare la materia ordinaria.

 

 

15 Dicembre 2018 | Luigi Bignami