Un gruppo di fisici sono riusciti a creare minuscole goccioline della prima materia apparsa nell’universo

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I ricercatori hanno creato minuscole goccioline della materia ultra-calda che un tempo riempiva l’universo primordiale, formando tre forme e dimensioni distinte: cerchi, ellissi e triangoli.

Lo studio, pubblicato oggi su Nature Physics, deriva dal lavoro di un team internazionale di scienziati e si concentra su uno stato della materia liquido, simile a un plasma di quark gluoni. I fisici ritengono che questa materia abbia riempito l’intero universo durante i primissimi microsecondi dopo il Big Bang quando l’universo era ancora troppo caldo perché le particelle si unissero per formare atomi.

Il professor Jamie Nagle e colleghi nel corso di un esperimento noto come PHENIX hanno usato il collisore del Brookhaven National Laboratory di Upton, New York, per ricreare quel plasma. In una serie di test, i ricercatori hanno distrutto pacchetti di protoni e neutroni in diverse combinazioni.

Gocce espandenti di plasma di gluoni di quark in tre forme geometriche.
Credit: Javier Orjuela Koop

Gli scienziati hanno scoperto che, controllando attentamente le condizioni, potevano generare goccioline di plasma di quark gluon in grado di espandersi fino a formare tre diversi motivi geometrici.

Il nostro risultato sperimentale ci ha portato molto più vicino a rispondere alla domanda su quale sia la più piccola quantità di materia esistente prima della nascita dell’universo“, ha spiegato Nagle.

I ricercatori del CU Boulder e della Vanderbilt University stanno guidando l’analisi dei dati scaturiti dall’esperimento PHENIX.

Gli scienziati hanno iniziato a studiare questa materia al Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) di Brookhaven nel 2000. Hanno fatto collidere pesanti nuclei di atomi d’oro, generando temperature di trilioni di gradi Celsius. Nel risultante punto di ebollizione, si sono liberati quark e gluoni, le particelle subatomiche che formano i protoni e i neutroni.

Diversi anni dopo, un altro gruppo di ricercatori ha riferito di aver creato un plasma di quark gluon senza far collidere due atomi, ma due protoni. Ciò è stato sorprendente perché la maggior parte degli scienziati ipotizzava che i protoni solitari non fossero in grado di fornire energia sufficiente a produrre qualsiasi cosa che potesse avvicinarsi ad un fluido.

Nagle ed i suoi colleghi hanno escogitato un modo per testare quei risultati nel 2014: se tali minuscole goccioline si fossero comportate come liquidi, avrebbero dovuto mantenere la loro forma.

Immagina di avere due goccioline che si stanno espandendo nel vuoto. Se le due goccioline sono davvero vicine, allora mentre si espandono, si incontrano e spingono l’una contro l’altra, e questo è ciò che crea questo modello“.

In altre parole, se lanci due pietre in due punti vicini nell’acqua di uno stagno, le increspature degli impatti fluiranno l’una nell’altra, formando un modello che assomiglia a un’ellisse. Lo stesso potrebbe essere vero facendo collidere una coppia di neutroni protonici, chiamata deuterone, a formare qualcosa di più grande, ragionavano Nagle e Romatschke. Allo stesso modo, un trio protone-protone-neutrone, noto anche come atomo di elio-3, potrebbe espandersi in qualcosa di simile a un triangolo.

E questo è esattamente ciò che l’esperimento PHENIX ha permesso di vedere: le collisioni di deuteroni formavano ellissi di breve durata, gli atomi di elio-3 formavano triangoli e un singolo protone esplodeva a forma di cerchio.

Questi risultati, secondo i ricercatori, potrebbero aiutare i teorici a capire meglio come il plasma di quark gluon originale dell’universo si è raffreddato in millisecondi, dando vita ai primi atomi esistenti.

Fonte: PHENIX Collaboration. Creazione di goccioline di plasma di quark e gluoni con tre distinte geometrie . Nature Physics , DOI 2018: 10.1038 / s41567-018-0360-0