Dopo sette mesi di successo in cui si sono scontrati fasci di protoni nella ricerca di nuove particelle fondamentali, l'LHC ha iniziato oggi a far scontrare fasci di protoni con fasci costituiti da ioni pesanti, i nuclei degli atomi di piombo.

Lo studio di queste collisioni asimmetriche fornirà ai fisici informazioni più precise sullo stato dell'universo pochi milionesimi di secondo dopo il Big Bang.

In questo breve periodo, l'universo era pieno di tutti i tipi di particelle che si muovevano quasi alla velocità della luce. La miscela era dominata dai quark – unità fondamentali della materia – e dai gluoni, portatori della forza forte che normalmente legano i quark a protoni e neutroni familiari. In quei primi momenti di temperature e densità estreme, protoni e neutroni non si erano ancora formati e i quark e i gluoni erano legati solo debolmente, liberi di muoversi da soli in quello che viene chiamato plasma di quark e gluoni.

Normalmente, i fisici ricreano queste condizioni facendo scontrare due fasci formati entrambi dallo stesso tipo di ioni pesanti, come il piombo.

Ma una notte di settembre 2012, I fisici di LHC hanno scelto di far collidere per la prima volta fasci fatti di due particelle diverse:ioni pesanti con i protoni meno massicci. Analizzando i dati, i ricercatori sono rimasti sorpresi di vedere in una frazione delle collisioni segni di un'espansione collettiva del sistema, una sorta di mini Big Bang. Questo è un segno caratteristico delle collisioni piombo-piombo, e ben noto per essere associato alle proprietà del plasma di quark-gluoni, ma non era mai stato visto prima in collisioni piombo-protone.

Quindi, nel 2013, un mese intero di collisioni protone-piombo ha confermato quelle prime osservazioni.

Quest'anno, fasci di protoni e piombo saranno fatti collidere a due diverse energie:5,02 TeV e, più avanti nel mese, il massimo possibile 8,16 TeV. L'energia più bassa sarà equivalente a quella delle collisioni piombo-piombo nel 2015, le prime collisioni protone-piombo e anche alcune collisioni protone-protone, il che significa che i ricercatori saranno in grado di fare confronti diretti tra tutti e tre.

"Le collisioni protone-piombo sono qualcosa che l'LHC non era originariamente previsto per fare, ma ora ha un interesse per la fisica ancora maggiore di quanto ci si aspettasse. Tutti gli esperimenti hanno aderito al programma, incluso LHCb che in origine non era un esperimento con ioni pesanti, "dice John Jowett, il fisico dell'acceleratore del CERN responsabile degli ioni pesanti nell'LHC.

Mentre tutti gli esperimenti richiederanno alcuni dati, la corsa a bassa energia viene condotta principalmente per gli scienziati dell'esperimento ALICE del CERN, che vogliono raccogliere molti più dati, da più eventi e con maggiore precisione, per ottenere statistiche migliori rispetto al 2013.

"Siamo molto entusiasti della possibilità in questa corsa di comprendere un aspetto completamente nuovo di questo fenomeno. Comprendere quanto fortemente interagente si comporti la materia nel più semplice sistema protone-piombo potrebbe effettivamente essere la chiave per capire come si forma il plasma di quark-gluoni. " spiega Federico Antinori, portavoce eletto per l'esperimento ALICE del CERN.

Gli ioni di piombo hanno 82 volte la carica e sono 206,4 volte più massicci dei protoni. Facendo scontrare questi raggi asimmetrici, con proprietà e tempi di vita molto diversi, porta a molte sfide per i fisici e gli operatori dell'acceleratore LHC. Durante la sosta tecnica della scorsa settimana è stata svolta una grande quantità di lavoro ingegneristico preparatorio, comprese modifiche speciali alla strumentazione del fascio di LHC e ai sistemi che iniettano il fascio.

"Si pensava che questo non avrebbe funzionato affatto, poiché particelle di tipo diverso si muovono attorno all'LHC a velocità diverse:all'energia di iniezione il raggio di piombo è leggermente più lento dei protoni, quindi compie sette giri in meno attorno all'anello in un minuto (i protoni fanno 674, 729 in quel momento). Questi problemi sono stati risolti nel 2012, ma la fisica del raggio e la configurazione operativa rimangono un territorio complicato e in qualche modo inesplorato", afferma Jowett.

"Questa è la prima volta che facciamo collisioni piombo-protone dal 2013, fornendo dati importanti per interpretare i risultati delle collisioni piombo-piombo, "dice Frédérick Bordry, Direttore del CERN per gli acceleratori e la tecnologia. "È anche l'ultimo ciclo di ioni fino al 2018".