Una recente analisi dei dati dell’esperimento PHENIX al Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) ha portato a una scoperta sorprendente che mette in discussione le nostre attuali conoscenze sulla formazione del plasma di quark e gluoni (QGP). I ricercatori hanno trovato nuove prove che suggeriscono che anche le collisioni tra nuclei molto piccoli e grandi possono produrre minuscole goccioline di questo stato esotico della materia.
Cos’è il plasma di quark e gluoni?
Il plasma di quark e gluoni è uno stato della materia che si forma in condizioni di temperatura e densità estremamente elevate, come quelle presenti pochi istanti dopo il Big Bang. In questo stato, i quark e i gluoni, che sono i costituenti fondamentali di protoni e neutroni, non sono più confinati all’interno di queste particelle, ma si muovono liberamente.
Al RHIC, i fisici sono stati in grado di ricreare queste condizioni estreme facendo collidere ioni d’oro ad alta energia. Queste collisioni “fondono” i nuclei atomici, producendo il QGP. Studiando le proprietà di questo plasma, i ricercatori possono ottenere informazioni preziose sull’Universo Primordiale e sulla natura stessa della materia. Inizialmente, si pensava che solo le collisioni tra ioni pesanti, come quelli d’oro, fossero in grado di generare abbastanza energia per formare il plasma di quark e gluoni. Si riteneva che collisioni che coinvolgevano ioni più piccoli non avrebbero prodotto energia sufficiente per rompere i protoni e i neutroni. I dati raccolti dall’esperimento PHENIX tuttavia hanno costantemente suggerito il contrario.
L’ultima scoperta fornisce la prima prova diretta che anche in collisioni su piccola scala si verifica un fenomeno chiave associato alla formazione del plasma di quark e gluoni: la soppressione delle particelle energetiche. Questo fenomeno si verifica quando le particelle ad alta energia, prodotte nella collisione, perdono energia e rallentano mentre attraversano il plasma di quark e gluoni. Lo studio ha importanti implicazioni per la nostra comprensione del QGP e dell’universo primordiale. Dimostra che può formarsi anche in condizioni meno estreme di quanto si pensasse in precedenza, aprendo nuove prospettive per lo studio di questo stato esotico della materia.
“Abbiamo scoperto, per la prima volta in un piccolo sistema di collisione, la soppressione delle particelle energetiche, che è una delle due principali prove del QGP“, ha affermato il portavoce della collaborazione PHENIX Yasuyuki Akiba.
La prova: soppressione delle particelle energetiche
La ricerca della soppressione di getti di particelle ad alta energia, o “quenching” dei getti, è stato un obiettivo fondamentale fin dai primi giorni al RHIC, una struttura utente dell’Office of Science del DOE per la ricerca in fisica nucleare che ha iniziato a funzionare al Brookhaven Lab nel 2000. La soppressione dei getti è un fenomeno che si verifica quando questi getti di particelle ad alta energia perdono energia mentre attraversano il plasma di quark e gluoni (QGP). Questa perdita di energia è un indicatore chiave della formazione del QGP, poiché suggerisce che le particelle energetiche interagiscono con il mezzo denso e caldo creato nelle collisioni ioniche.
La ricerca sulla soppressione dei getti al RHIC ha permesso ai fisici di studiare le proprietà del plasma di quark e gluoni e di ottenere informazioni preziose sull’universo primordiale. La scoperta che la soppressione dei getti si verifica anche in collisioni “piccole” rafforza ulteriormente l’evidenza dell’esistenza del plasma di quark e gluoni e apre nuove prospettive per la ricerca in questo campo.
Come ha spiegato Gabor David, un fisico PHENIX della Stony Brook University (SBU) che è stato uno dei leader della nuova analisi: “Si può pensare a questo come alla differenza tra correre nell’aria e correre nell’acqua”. Il QGP è come l’acqua; rallenta le particelle. Di conseguenza, i getti raggiungono il rilevatore con solo una frazione della loro energia originale.
Per cercare questa soppressione, i fisici devono prima stimare il numero di particelle energetiche che ci si aspetterebbe dagli scontri oro-oro, passando matematicamente da semplici collisioni protone-protone al numero di protoni e neutroni coinvolti nelle collisioni di ioni più pesanti come l’oro. I valori calcolati indicano indirettamente se la collisione avviene esattamente al centro tra i due ioni oro o se si tratta di una collisione di striscio in cui gli ioni si sfiorano ai bordi. Si prevede che le collisioni centrali creino più getti di quelle periferiche. Ma è anche più probabile che generino QGP più grandi e quindi una maggiore soppressione dei getti.
Per cercare la soppressione dei getti, i fisici stimano il numero di particelle energetiche previste negli scontri oro-oro, basandosi su collisioni protone-protone e sul numero di nucleoni coinvolti. Si prevede che le collisioni centrali producano più getti e plasma di quark e gluoni più grandi, quindi maggiore soppressione. I risultati, però, mostrano una soppressione significativamente inferiore alle attese, suggerendo che il QGP si forma anche in collisioni meno energetiche.
Quando gli scienziati di PHENIX hanno osservato simili modelli di flusso idrodinamico in piccoli sistemi di collisione, suggerendo che potrebbero esserci minuscole gocce di plasma di quark e gluoni, hanno iniziato a cercare anche in quegli eventi la soppressione dei getti. I risultati sono stati una sorpresa: mentre le collisioni più centrali di particelle come i deuteroni (un protone e un neutrone) con ioni d’oro hanno mostrato segni di soppressione dei getti, le collisioni più periferiche sembravano mostrare un aumento dei getti energetici.
“Non c’era alcuna spiegazione del perché ciò dovesse accadere, assolutamente nessuna“, ha detto David. Questo risultato inaspettato ha lasciato i ricercatori con un enigma da risolvere: come è possibile che la soppressione dei getti si verifichi in collisioni “piccole” ma non in quelle periferiche?
Come ha spiegato Ramasubramanian, una coautrice del documento che ha ottenuto il dottorato di ricerca e un premio di tesi al RHIC & AGS Users Meeting del 2022 per i suoi contributi a questo risultato: “La motivazione iniziale per fare questa analisi complessa era solo quella di comprendere meglio lo strano aumento dei getti energetici nelle collisioni periferiche, cosa che abbiamo fatto“. Tuttavia, la ricerca ha portato a una sorpresa inaspettata: “La soppressione che abbiamo osservato nelle collisioni più centrali è stata del tutto inaspettata”.
Akiba ha aggiunto: “Quando utilizziamo i fotoni diretti come misura precisa e accurata della centralità della collisione, possiamo vedere la soppressione [nelle collisioni centrali] in modo inequivocabile“. I fotoni diretti, a differenza delle altre particelle, non interagiscono con il QGP e quindi forniscono una misura accurata dell’energia iniziale della collisione.
David ha osservato che: “Il nuovo metodo si basa esclusivamente su quantità osservabili, evitando l’uso di modelli teorici“. Questo approccio rende i risultati più robusti e meno dipendenti da eventuali incertezze teoriche.
Conclusioni
Come ha concluso Drees, il passo successivo sarà quello di applicare lo stesso metodo ad altri piccoli sistemi di collisione: “Le analisi in corso dei dati protone-oro ed elio-3-oro di PHENIX con la stessa tecnica aiuteranno a chiarire ulteriormente le origini di questa soppressione per confermare la nostra attuale comprensione o escluderla tramite spiegazioni concorrenti“.
La ricerca sulla soppressione dei getti al RHIC ha permesso ai fisici di studiare le proprietà del plasma di quark e gluoni e di ottenere informazioni preziose sull’Universo Primordiale. I ricercatori continueranno a studiare questo fenomeno sorprendente, con la speranza di comprendere meglio la natura del QGP e le sue implicazioni per la fisica nucleare e l’astrofisica.
Le scoperte sono state pubblicate su Physical Review Letters.
