Al suo inizio, l'universo era un crogiolo incandescente che ha servito molto brevemente una zuppa di particelle simile a un "perfetto, " fluido senza attrito. Gli scienziati hanno ricreato questa "zuppa, " noto come plasma di quark-gluoni, in collisioni nucleari ad alta energia per comprendere meglio le origini del nostro universo e la natura della materia stessa. La fisica può essere rilevante anche per le stelle di neutroni, che sono i nuclei straordinariamente densi delle stelle collassate.

Ora, potenti simulazioni al supercomputer di nuclei atomici in collisione, condotto da un team internazionale di ricercatori tra cui un fisico del Berkeley Lab, fornire nuovi spunti sulla torsione, struttura simile a un vortice di questa zuppa e cosa c'è al suo interno, e illumina anche un percorso su come gli esperimenti potrebbero confermare queste caratteristiche. L'opera è pubblicata nell'edizione del 1 novembre di Lettere di revisione fisica .

Questione, decostruito

Questa zuppa contiene gli ingredienti decostruiti della materia, vale a dire particelle fondamentali note come quark e altre particelle chiamate gluoni che tipicamente legano i quark per formare altre particelle, come i protoni e i neutroni che si trovano nei nuclei degli atomi. In questo esotico stato di plasma, che può raggiungere trilioni di gradi Fahrenheit, centinaia di migliaia di volte più caldo del nucleo del sole:protoni e neutroni si sciolgono, liberando quark e gluoni dai loro soliti confini al centro degli atomi.

Queste temperature record sono state raggiunte dalla collisione di nuclei d'oro al RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) del Brookhaven National Laboratory, Per esempio, e nuclei di piombo all'LHC (Large Hadron Collider) del CERN. Gli esperimenti al RHIC hanno scoperto nel 2005 che il plasma di quark e gluoni si comporta come un fluido. Oltre ai nuclei d'oro, RHIC è stato utilizzato anche per far collidere protoni, rame e uranio. LHC ha iniziato a condurre esperimenti sugli ioni pesanti nel 2014, e ha confermato che il plasma di quark-gluoni si comporta come un fluido.

Rimangono molti misteri sul funzionamento interno di questo stato plasmatico di breve durata, che potrebbe essere esistito solo per milionesimi di secondo nell'universo appena nato, e i fisici nucleari stanno usando una miscela di teoria, simulazioni ed esperimenti per raccogliere nuovi dettagli su questo brodo subatomico.

Sorprendente complessità nella struttura del plasma

"Nelle nostre sofisticate simulazioni, abbiamo scoperto che c'è molta più struttura in questo plasma di quanto pensassimo, " disse Xin-Nian Wang, un teorico della Nuclear Science Division del Berkeley Lab che ha lavorato per anni sulla fisica delle collisioni nucleari ad alta energia.

Quando tracciato in due dimensioni, le simulazioni hanno scoperto che le collisioni leggermente decentrate di nuclei pesanti producono un fluido oscillante e in espansione, Wang ha detto, con rotazione locale che è attorcigliata come un cavatappi.

Questo carattere cavatappi si riferisce alle proprietà dei nuclei in collisione che hanno creato il plasma, che la simulazione ha mostrato espandersi lungo e perpendicolarmente alla direzione del raggio. Come far girare una moneta colpendola con il dito, le simulazioni hanno mostrato che le proprietà del momento angolare dei nuclei in collisione possono trasferire proprietà di spin al plasma di quark gluoni sotto forma di vortice, strutture ad anello note come vortici.

Le simulazioni hanno mostrato due di questi vortici a forma di ciambella, ciascuno con un orientamento destrorso attorno a ciascuna direzione dei fasci separati dei nuclei in collisione, e anche molte coppie di vortici orientati in modo opposto lungo la dimensione più lunga del plasma. Queste caratteristiche a forma di ciambella sono analoghe agli anelli di fumo vorticosi e sono una caratteristica comune negli studi classici sui fluidi, un campo noto come idrodinamica.

Le simulazioni hanno anche rivelato un flusso verso l'esterno modellato da punti caldi nel plasma che assomigliano ai raggi di una ruota. La scala temporale coperta dalla simulazione era infinitamente piccola, Wang ha detto, all'incirca il tempo impiegato dalla luce per percorrere la distanza di 10-20 protoni. Durante questo tempo il fluido traballante esplode come una palla di fuoco, sprizzare la zuppa di particelle verso l'esterno dal suo centro più rapidamente che dalla sua parte superiore.

Qualsiasi nuova comprensione delle proprietà del plasma di quark e gluoni dovrebbe essere utile per interpretare i dati provenienti da esperimenti di collisione dei nuclei, Wang ha detto, notando che l'emergere di diverse strutture localizzate simili a ciambelle nelle simulazioni era "completamente inaspettato".

Svelare un mistero

"Possiamo pensare a questo come all'apertura di una finestra completamente nuova per osservare i plasmi di quark e gluoni, e come studiarli, "Ha detto. "Speriamo che questo fornisca un'altra porta alla comprensione del motivo per cui questo fluido di quark-gluoni è un fluido così perfetto:la natura del motivo per cui è così è ancora un enigma. Questo lavoro gioverà non solo alla teoria, ma anche esperimenti».

Le simulazioni forniscono ulteriori prove che il plasma di quark-gluoni si comporta come un fluido, e non un gas come un tempo era stato teorizzato. "L'unico modo per descriverlo è avere una viscosità molto piccola, " o quasi nessun attrito, una caratteristica di un cosiddetto "fluido perfetto" o "fluido fondamentale, '" ha detto Wang. Ma a differenza di un fluido familiare come l'acqua, la simulazione si concentra su uno stato fluido centinaia di volte più piccolo di una molecola d'acqua.

Michele Lisa, un professore di fisica alla Ohio State University che fa parte della collaborazione a supporto del Solenoidal Tracker presso RHIC (STAR), ha affermato che la cosiddetta vorticità o "struttura a vortice" di questo plasma non è mai stata misurata sperimentalmente, sebbene quest'ultimo lavoro teorico possa aiutare a capirlo. STAR è progettato per studiare la formazione e le caratteristiche del plasma di quark-gluoni.

"Wang e i suoi collaboratori hanno sviluppato un sofisticato, modello idrodinamico all'avanguardia del plasma di quark-gluoni e hanno identificato strutture vorticose che variano all'interno del fluido stesso, " ha detto. "Ancora più utile è il fatto che propongano un metodo per misurare queste strutture in laboratorio".

Lisa ha anche affermato che è in corso un lavoro di analisi per confermare i risultati della simulazione nei dati degli esperimenti presso RHIC e LHC. "Sono proprio innovazioni come questa, dove teoria ed esperimento collaborano per esplorare nuovi fenomeni, che nutrono la più grande speranza per una maggiore comprensione del plasma di quark-gluoni, " Egli ha detto.

"Molti strumenti sono stati usati per sondare la meccanica di lavoro interna e le proprietà di simmetria di questa materia unica, " disse Zhangbu Xu, un portavoce della collaborazione STAR e uno scienziato del personale del Brookhaven National Laboratory. Ha anche detto che i risultati preliminari di STAR suggeriscono anche un movimento di rotazione nel fluido, e il lavoro di simulazione "aggiunge una nuova dimensione" a questa possibilità.