Grazie a un nuovo sviluppo nella teoria della fisica nucleare, gli scienziati che esplorano le palle di fuoco in espansione che imitano l'universo primordiale hanno nuovi segni da cercare mentre tracciano la transizione dal plasma primordiale alla materia come la conosciamo. Il lavoro di teoria, descritto in un articolo pubblicato di recente come suggerimento dell'editore in Lettere di revisione fisica ( PRL ), individua modelli chiave che sarebbero la prova dell'esistenza di un cosiddetto "punto critico" nella transizione tra le diverse fasi della materia nucleare. Come i punti di congelamento e di ebollizione che delineano le varie fasi dell'acqua, liquida, ghiaccio solido, e vapore:i punti che i fisici nucleari cercano di identificare li aiuteranno a comprendere le proprietà fondamentali del tessuto del nostro universo.

I fisici nucleari creano le palle di fuoco facendo scontrare nuclei ordinari, fatti di protoni e neutroni, in un "frantumatore di atomi" chiamato Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), una struttura per gli utenti dell'Ufficio della scienza del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti presso il Brookhaven National Laboratory. Gli scontri subatomici generano temperature che misurano trilioni di gradi, abbastanza caldo da "sciogliere" i protoni e i neutroni e rilasciare i loro elementi costitutivi interni:quark e gluoni. Il collisore essenzialmente fa tornare indietro l'orologio per ricreare il "plasma di quark-gluoni" (QGP) che esisteva subito dopo il Big Bang. Seguendo le particelle che emergono dalle palle di fuoco, gli scienziati possono conoscere le transizioni di fase nucleare, sia la fusione che il modo in cui i quark e i gluoni si "congelano" come facevano all'alba dei tempi per formare la materia visibile del mondo di oggi.

"Vogliamo capire le proprietà di QGP, " ha detto il teorico nucleare Raju Venugopalan, uno degli autori del nuovo articolo. "Non sappiamo come queste proprietà potrebbero essere utilizzate, ma 100 anni fa, non sapevamo come avremmo usato le proprietà collettive degli elettroni, che ora costituiscono la base di quasi tutte le nostre tecnologie. Allora, gli elettroni erano esotici quanto lo sono ora i quark e i gluoni".

Cambiare le fasi

I fisici RHIC ritengono che due diversi tipi di cambiamenti di fase possano trasformare il QGP caldo in protoni e neutroni ordinari. È importante sottolineare che sospettano che il tipo di cambiamento dipenda dall'energia di collisione, che determina le temperature generate e quante particelle vengono catturate nella palla di fuoco. Questo è simile al modo in cui i punti di congelamento e di ebollizione dell'acqua possono cambiare in diverse condizioni di temperatura e densità delle molecole d'acqua, Venugopalan spiegato.

Nelle collisioni RHIC a bassa energia, gli scienziati sospettano che mentre si verifica il cambiamento di fase da QGP a protoni/neutroni ordinari, entrambi gli stati distinti (QGP e materia nucleare ordinaria) coesistono, proprio come bolle di vapore e acqua liquida coesistono alla stessa temperatura in una pentola di acqua bollente. È come se quark e gluoni (o molecole di acqua liquida) dovessero fermarsi a quella temperatura e pagare un pedaggio prima di poter ottenere l'energia necessaria per fuggire come QGP (o vapore).

In contrasto, in collisioni ad alta energia, non esiste un casello alla temperatura di transizione in cui quark e gluoni devono "fermarsi". Invece si muovono su un percorso continuo tra le due fasi.

Ma cosa succede tra questi regni a bassa e alta energia? Capirlo è ora uno degli obiettivi principali di ciò che è noto come "scansione dell'energia del raggio" alla RHIC. Facendo scontrare sistematicamente nuclei a un'ampia gamma di energie, i fisici nella collaborazione STAR di RHIC stanno cercando prove di un punto speciale sulla loro mappa di queste fasi nucleari e delle transizioni tra di esse:il diagramma di fase nucleare.

In questo cosiddetto "punto critico, "Ci sarebbe un pedaggio, ma il costo sarebbe di $ 0, quindi i quark e i gluoni potrebbero passare da protoni e neutroni a QGP molto rapidamente, quasi come se tutta l'acqua nella pentola si trasformasse in vapore in un solo istante. Questo può effettivamente accadere quando l'acqua raggiunge il punto di ebollizione ad alta pressione, dove la distinzione tra la fase liquida e quella gassosa compresso si offusca al punto che le due sono praticamente indistinguibili. Nel caso di QGP, i fisici si aspetterebbero di vedere i segni di questo effetto drammatico - modelli nelle fluttuazioni delle particelle osservate che colpiscono i loro rivelatori - più si avvicinano sempre di più a questo punto critico.

In esperimenti già condotti alle energie intermedie, I fisici STAR hanno osservato tali modelli, che possono essere segni del punto critico ipotizzato. Questa ricerca continuerà con maggiore precisione su una gamma più ampia di energie durante una seconda scansione energetica del raggio, a partire dal 2019. Il nuovo lavoro teorico del fisico di Brookhaven Swagato Mukherjee, Venugopalan, e l'ex postdoc Yi Yin (ora al MIT), parte di una collaborazione topica in teoria nucleare Beam Energy Scan Theory (BEST) appena finanziata, fornirà una tabella di marcia per guidare i ricercatori sperimentali.

Segnali da cercare

Alcune caratteristiche dei modelli che si verificano durante i cambiamenti di fase sono universali, indipendentemente dal fatto che tu stia studiando l'acqua, o quark e gluoni, o magneti. Ma un progresso chiave del nuovo lavoro di teoria è stato l'utilizzo di un diverso insieme di caratteristiche universali per spiegare le condizioni dinamiche del plasma di quark-gluoni in espansione.

"Tutte le previsioni, il modo in cui abbiamo iniziato a cercare un punto critico finora, erano basati su schemi calcolati supponendo che tu abbia una pentola che bolle su un fornello, un sistema un po' statico, " ha detto Mukherjee. "Ma QGP si sta espandendo e cambiando nel tempo. È più come l'acqua che bolle mentre scorre rapidamente attraverso un tubo".

Per tenere conto delle condizioni in evoluzione della QGP nei loro calcoli, i teorici incorporarono "universalità dinamiche" che furono inizialmente sviluppate per descrivere la formazione di modelli simili nell'espansione cosmologica dell'universo stesso.

"Da allora queste idee sono state applicate ad altri sistemi come l'elio liquido e i cristalli liquidi, Ha detto Venugopalan. Questo documento è la prima dimostrazione esplicita di questa congettura".

Nello specifico, il documento prevede esattamente quali modelli cercare nei dati, modelli in cui sono correlate le proprietà delle particelle emesse dalle collisioni, man mano che l'energia delle collisioni cambia.

"Se la collaborazione STAR guarda i dati in un modo particolare e vede questi schemi, possono affermare senza ambiguità di aver visto un punto critico, " disse Venugopalan.