I fisici dell’Università Eötvös Loránd hanno studiato i componenti del nucleo atomico utilizzando i tre acceleratori di particelle più avanzati a livello globale. La loro ricerca mira a esplorare il “brodo primordiale” che esisteva nell’Universo durante i primi microsecondi dopo la sua creazione.
Nel periodo immediatamente successivo al Big Bang, le temperature erano così estreme che i nuclei atomici non potevano esistere, né potevano esistere i nucleoni, i loro elementi costitutivi. Quindi, in questo primo caso, l’universo era pieno di una “zuppa primordiale” di quark e gluoni.
Quando l’universo si raffreddò, questo mezzo subì un “congelamento”, che portò alla formazione di particelle che conosciamo oggi, come protoni e neutroni. Questo fenomeno viene replicato su scala molto più piccola negli esperimenti con l’acceleratore di particelle, dove le collisioni tra due nuclei creano minuscole goccioline di materia quark. Queste goccioline alla fine passano alla materia ordinaria attraverso il congelamento, una trasformazione nota ai ricercatori che conducono questi esperimenti.
Variazioni nella materia dei quark
Tuttavia, le proprietà della materia dei quark variano a causa delle differenze di pressione e temperatura che risultano dall’energia di collisione negli acceleratori di particelle. Questa variazione richiede misurazioni per “scansionare” la materia negli acceleratori di particelle di diverse energie, il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) negli Stati Uniti, o il Super Proton Synchrotron (SPS) e il Large Hadron Collider (LHC) in Svizzera.
“Questo aspetto è così cruciale che in tutto il mondo, ad esempio in Germania o in Giappone, vengono costruiti nuovi acceleratori appositamente per tali esperimenti. Forse la domanda più significativa è come avviene la transizione tra le fasi: sulla mappa delle fasi può emergere un punto critico”, ha spiegato Máté Csanád, professore di fisica presso il Dipartimento di Fisica Atomica dell’Università Eötvös Loránd (ELTE).
L’obiettivo a lungo termine della ricerca è approfondire la nostra comprensione dell’interazione forte che governa le interazioni nella materia dei quark e nei nuclei atomici. Il nostro attuale livello di conoscenza in quest’area può essere paragonato alla comprensione dell’elettricità da parte dell’umanità durante le epoche di Volta, Maxwell o Faraday. Sebbene avessero una nozione delle equazioni fondamentali, è stato necessario un notevole lavoro sperimentale e teorico per sviluppare tecnologie che hanno trasformato profondamente la vita di tutti i giorni, dalla lampadina alla televisione, ai telefoni, ai computer e a Internet. Allo stesso modo, la nostra comprensione dell’interazione forte è ancora embrionale, per cui la ricerca per esplorarla e mapparla è di vitale importanza.
Innovazioni nella femtoscopia
I ricercatori dell’ELTE sono stati coinvolti in esperimenti presso ciascuno degli acceleratori sopra menzionati e il loro lavoro negli ultimi anni ha portato a un quadro completo della geometria della materia dei quark. Hanno raggiunto questo obiettivo attraverso l’applicazione delle tecniche di femtoscopia. Questa tecnica utilizza le correlazioni che derivano dalla natura ondulatoria non classica, di tipo quantistico, delle particelle prodotte, che alla fine rivela la struttura su scala femtometrica del mezzo, la fonte di emissione delle particelle.
“Nei decenni precedenti, la femtoscopia si basava sul presupposto che la materia dei quark seguisse una distribuzione normale, cioè la forma gaussiana che si trova in natura”, ha dichiarato Márton Nagy, uno dei ricercatori principali del gruppo.
Tuttavia, i ricercatori ungheresi si sono rivolti al processo di Lévy, che è familiare anche in varie discipline scientifiche, come quadro più generale, e che è una buona descrizione della ricerca di prede da parte dei predatori marini, dei processi del mercato azionario e persino del cambiamento climatico. Una caratteristica distintiva di questi processi è che in certi momenti subiscono cambiamenti molto grandi (ad esempio, quando uno squalo cerca cibo in una nuova area), e in tali casi può verificarsi una distribuzione di Lévy piuttosto che una distribuzione normale (gaussiana).
Implicazioni e ruolo dell’ELTE
Questa ricerca riveste un’importanza significativa per diversi motivi. Innanzitutto, una delle caratteristiche più studiate del congelamento della materia dei quark, la sua trasformazione in materia convenzionale (adronica), è il raggio femtoscopico (chiamato anche raggio HBT, notando la sua relazione con il noto effetto Hanbury Brown e Twiss in astronomia), che deriva da misurazioni femtoscopiche. Tuttavia, questa scala dipende dalla geometria presunta del mezzo.
Come riassume Dániel Kincses, un ricercatore post-dottorato del gruppo: “Se l’ipotesi gaussiana non è ottimale, i risultati più accurati di questi studi possono essere ottenuti solo sotto l’ipotesi di Lévy. Anche il valore dell’esponente di Lévy, che caratterizza la distribuzione di Lévy, può far luce sulla natura della transizione di fase. Pertanto, la sua variazione con l’energia di collisione fornisce preziose informazioni sulle diverse fasi della materia dei quark”.
I ricercatori dell’ELTE stanno partecipando attivamente a quattro esperimenti: NA61/SHINE presso l’acceleratore SPS, PHENIX e STAR presso RHIC e CMS presso LHC. Il gruppo NA61/SHINE dell’ELTE è guidato da Yoshikazu Nagai, il gruppo CMS da Gabriella Pásztor; e i gruppi RHIC di Máté Csanád, che coordina anche la ricerca sulla femtoscopia dell’ELTE.
I gruppi stanno apportando contributi sostanziali al successo degli esperimenti in vari ambiti, dallo sviluppo di rilevatori all’acquisizione e all’analisi dei dati. Sono anche impegnati in numerosi progetti e ricerche teoriche. “La particolarità della nostra ricerca sulla femtoscopia è che viene condotta in quattro esperimenti in tre acceleratori di particelle, dandoci un’ampia visione della geometria e delle possibili fasi della materia dei quark”, ha concluso Máté Csanád.
