Nuclei di ossigeno ricreano la materia dell'universo primordiale

Due nuclei di ossigeno, ciascuno formato da otto protoni e otto neutroni, si scontrano quasi alla velocità della luce all'interno del Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) del Brookhaven National Laboratory, negli Stati Uniti. L'urto spezza i nuclei e libera i loro protoni e neutroni nei quark e gluoni di cui sono fatti. Il risultato è il plasma quark-gluone (QGP), la materia esistita durante i primi microsecondi dopo il Big Bang, e uno strumento per capire come si sono formati per la prima volta protoni, neutroni e atomi.

Il plasma dura troppo poco per essere osservato direttamente, anche al RHIC o al Large Hadron Collider (LHC) del CERN. I fisici studiano quindi le particelle che escono da ogni collisione, registrate da rivelatori come STAR, il Solenoidal Tracker del RHIC. L'indizio principale è lo jet quenching. I getti energetici di particelle perdono energia mentre attraversano la materia calda e densa che resta dopo la collisione, e questa perdita è considerata una firma del QGP. Lo studio del plasma aiuta anche ad affrontare altre questioni, come i limiti della stabilità nucleare e la ricerca di particelle esotiche come le particelle X. «Uno dei modi più efficaci con cui gli scienziati studiano il QGP è individuare dove compaiono le sue firme e, altrettanto importante, dove queste firme si spengono», ha dichiarato Li Yi, professore di fisica all'Università dello Shandong, coinvolto nel lavoro.

L'oro era il riferimento. I nuclei d'oro, con 78 protoni e 118 neutroni, mostravano lo jet quenching, e le loro particelle a bassa energia si muovevano insieme come un liquido perfetto, senza alcuna resistenza. Il team del RHIC voleva sapere se un sistema molto più leggero avrebbe prodotto la stessa firma. Le sue collisioni ossigeno-ossigeno, condotte a 200 GeV (200 miliardi di elettronvolt) al RHIC nel 2021, hanno mostrato una soppressione del 20% delle particelle ad alta energia dovuta allo jet quenching. È un valore inferiore a quelli dell'oro e del piombo, ma i ricercatori affermano che resta una prova della formazione del QGP. Anche i ricercatori del CERN hanno studiato le collisioni ossigeno-ossigeno, il che consente alle due squadre di confrontare i propri risultati.

Rongrong Ma, fisica dello STAR al Brookhaven National Laboratory, ha descritto l'obiettivo: «Stiamo spingendo i limiti in due direzioni per esplorare le condizioni minime necessarie a creare un QGP, sia in termini di dimensione del nucleo, osservando queste piccole collisioni ossigeno-ossigeno, sia guardando i dati di energie di collisione più basse, e continuiamo a vedere questa firma cruciale del QGP».

Per ora il guadagno riguarda la fisica e non un dispositivo. I teorici che studiano l'universo primordiale e la stabilità nucleare ottengono un punto di riferimento più piccolo e più semplice delle collisioni dell'oro, e gli sperimentatori possono confrontare i propri risultati con quelli del CERN. Le collisioni mostrano anche quanto a lungo la firma sopravvive quando il sistema si riduce, ed è il confine che il team voleva individuare. Non è stata indicata una data per i prossimi risultati. Il nuovo rivelatore sPHENIX, ora parte dell'impianto del RHIC, dovrebbe portare alla luce molto altro nei prossimi tempi.