In un significativo progresso nel campo della fisica nucleare, gli scienziati che operano con il rivelatore STAR presso il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) negli Stati Uniti hanno identificato sottili, ma rilevanti, fluttuazioni nel numero di protoni che emergono dalle collisioni oro-oro ad alta energia.
Questa osservazione rappresenta, finora, il segnale più promettente della presenza del “punto critico”, un confine teorizzato che separa le diverse fasi della materia nucleare.
Fisica nucleare e la ricerca del punto critico
Il concetto è simile a quello dell’acqua, che può esistere in fase liquida o di vapore in base a variazioni di temperatura e pressione. Frank Geurts, membro del team della Rice University negli Stati Uniti, ha affermato che queste scoperte potrebbero confermare che le “proprietà fisiche generiche dei diagrammi di fase che conosciamo per molte sostanze chimiche si applicano anche alla nostra comprensione più fondamentale della materia nucleare”.
Un diagramma di fase ha il compito di descrivere come una sostanza si trasforma tra lo stato solido, liquido e gassoso. Sebbene il diagramma per materiali comuni come l’acqua sia ben noto, il comportamento della materia nucleare sottoposta a condizioni estreme di calore e pressione rimane in gran parte un mistero.
I nuclei atomici sono composti da protoni e neutroni strettamente legati, e questi a loro volta sono costituiti da quark tenuti insieme dai gluoni. Quando i nuclei vengono fatti scontrare ad alte energie, protoni e neutroni si “fondono” in un fluido composto da quark e gluoni, noto come plasma di quark e gluoni (QGP). Si ipotizza che questo stato esotico, caratterizzato da temperature elevatissime, abbia costituito l’universo solo pochi microsecondi dopo il Big Bang.
Lo studio del QGP viene effettuato accelerando ioni pesanti, come i nuclei d’oro, a velocità prossime a quella della luce e facendoli collidere. Geurts sottolinea il vantaggio di questa metodologia: “Il vantaggio di utilizzare collisioni di ioni pesanti in acceleratori come RHIC è che possiamo ripetere l’esperimento milioni, se non miliardi, di volte”. Attraverso la regolazione dell’energia di collisione, i ricercatori hanno la possibilità di controllare la temperatura e la densità del plasma di quark e gluoni che generano.
Questo controllo sperimentale è fondamentale per esplorare la transizione tra la materia nucleare ordinaria e il plasma di quark e gluoni. All’interno di questa transizione, la teoria fisica prevede l’esistenza di un punto critico, ovvero il punto specifico in cui un cambiamento che altrimenti sarebbe graduale diventa invece brusco e improvviso.
L’indagine STAR sulle fluttuazioni protoniche
La Collaborazione STAR ha concentrato i suoi sforzi sulla misurazione delle minime fluttuazioni nel numero di protoni generati in ogni evento di collisione. Per fare ciò, sono stati utilizzati i “cumulanti di protoni”, quantità statistiche che, come spiega Geurts, “aiutano a quantificare la forma di una distribuzione – in questo caso, la distribuzione del numero di protoni che misuriamo”.
In termini più semplici, i primi due cumulanti rappresentano la media e l’ampiezza della distribuzione, mentre quelli di ordine superiore ne descrivono l’asimmetria e la nitidezza. È importante notare che i rapporti tra questi cumulanti sono collegati a proprietà fondamentali, denominate suscettività, che diventano estremamente sensibili quando ci si avvicina al punto critico.
Nel corso di tre anni di esperimenti, il team STAR ha analizzato collisioni oro-oro a un’ampia varietà di energie. Utilizzando sofisticati rivelatori per tracciare e identificare protoni e antiprotoni prodotti in ciascun evento, i ricercatori hanno confrontato la variazione del numero di queste particelle in relazione all’energia, scoprendo qualcosa di inatteso.
Al diminuire dell’energia di collisione, le fluttuazioni nel numero di protoni non hanno mostrato un andamento regolare. Geurts descrive l’osservazione come un “comportamento non monotono” da parte di STAR. “Mentre a energie più elevate i rapporti sembrano essere soppressi, STAR osserva un aumento a energie più basse”. Queste variazioni irregolari sono coerenti con ciò che ci si aspetterebbe se le collisioni stessero passando in prossimità del punto critico, il confine teorico che distingue le diverse fasi della materia nucleare.
Volodymyr Vovchenko, fisico dell’Università di Houston esterno alla ricerca, ha definito le nuove misurazioni come “un importante passo avanti”, sottolineando che “la collaborazione STAR ha fornito i dati più precisi finora ottenuti sulle fluttuazioni protoniche a diverse energie di collisione”.
Nonostante l’importanza dei dati, la loro interpretazione resta delicata. Le correzioni necessarie per estrarre segnali fisici puri dai dati grezzi sono complesse. A ciò si aggiunge il fatto che i calcoli teorici sono ancora in fase di sviluppo e non riescono a fornire previsioni precise su ciò che dovrebbe accadere in prossimità del punto critico. Vovchenko ha specificato che le “necessarie correzioni sperimentali sono complesse” e che alcuni modelli teorici “non implementano ancora queste correzioni in modo del tutto coerente”, una discrepanza che, a suo avviso, “può confondere i confronti tra sistemi simili”.
Prospettive future e sviluppi teorici
Il team STAR è attualmente impegnato nell’analisi di nuovi dati provenienti da collisioni a bassa energia, focalizzandosi in particolare sull’intervallo in cui il segnale osservato si manifesta con maggiore intensità. L’obiettivo primario di questa analisi è determinare se il modello individuato sia effettivamente un’indicazione della presenza del punto critico nella materia nucleare, oppure se sia riconducibile a effetti fisici più convenzionali.
Contemporaneamente, il mondo della fisica teorica sta intensificando gli sforzi per raggiungere il passo con i risultati sperimentali. Secondo Vovchenko, “la palla ora passa in gran parte al campo della teoria”. Egli evidenzia l’urgenza di sviluppare “previsioni quantitative su energie e cumulanti di vario ordine, appropriate per confronti comparativi con questi dati” al fine di convalidare e interpretare le misurazioni di STAR.
La ricerca sarà ulteriormente ampliata grazie a futuri esperimenti. Tra questi, spiccano il programma a bersaglio fisso del RHIC e le nuove strutture come l’acceleratore FAIR in Germania. Questi progetti si propongono di esplorare energie ancora più basse e di generare set di dati molto più ampi. L’obiettivo è quello di mappare la transizione tra la materia nucleare ordinaria e il plasma di quark e gluoni con una precisione senza precedenti.
Indipendentemente dal fatto che il punto critico venga definitivamente confermato, i dati recenti costituiscono un traguardo fondamentale nell’esplorazione dell’interazione forte e dell’Universo primordiale. Geurts ha concluso che queste scoperte delineano “proprietà epocali del diagramma di fase più fondamentale della materia nucleare”, avvicinando i fisici alla comprensione di come si sia formato ogni elemento, dai protoni alle stelle.
La ricerca è stata pubblicata sul Physical Review Letters.
