I risultati dei fisici della Rice University che lavorano al Large Hadron Collider (LHC) europeo stanno fornendo nuove informazioni su uno stato esotico della materia chiamato "plasma di quark-gluoni" che si verifica quando protoni e neutroni si sciolgono.

Essendo il più potente acceleratore di particelle sulla Terra, l'LHC è in grado di frantumare insieme i nuclei degli atomi quasi alla velocità della luce. L'energia rilasciata in queste collisioni è vasta e consente ai fisici di ricreare il caldo, condizioni dense che esistevano nell'universo primordiale. Plasma di quark-gluoni, o QGP, è una zuppa di particelle ad alta energia che si forma quando protoni e neutroni si sciolgono a temperature che si avvicinano a diversi trilioni di kelvin.

In un recente articolo in Lettere di revisione fisica scritto per conto di più di 2, 000 scienziati che lavorano all'esperimento Compact Muon Solenoid (CMS) di LHC, I fisici del riso Wei Li e Zhoudunming (Kong) Tu hanno proposto un nuovo approccio per studiare una caratteristica proprietà magnetica di QGP chiamata "effetto magnetico chirale" (CME). Il loro approccio utilizza collisioni tra protoni e nuclei di piombo. La CME è un fenomeno elettromagnetico che nasce come conseguenza della meccanica quantistica ed è legato anche alle cosiddette fasi topologiche della materia, un'area della fisica della materia condensata che ha attirato una maggiore attenzione in tutto il mondo da quando ha vinto il Premio Nobel per la fisica nel 2016.

"Trovare prove dell'effetto magnetico chirale e quindi delle fasi topologiche nella materia QGP calda è stato per qualche tempo un obiettivo importante nel campo della fisica nucleare delle alte energie, " Li ha detto. "I primi risultati, pur essendo indicativo del CME, rimangono ancora inconcludenti, principalmente a causa di altri processi in background che sono difficili da controllare e quantificare."

QGP è stato prodotto per la prima volta intorno al 2000 al Relativistic Heavy Ion Collider di New York e successivamente all'LHC nel 2010. In quegli esperimenti, i fisici fecero a pezzi due nuclei di piombo in rapido movimento, ciascuno contenente 82 protoni e 126 neutroni, i due mattoni di tutti i nuclei atomici. Poiché i protoni che si sciolgono in queste collisioni portano ciascuno una carica elettrica positiva, i QGP di questi esperimenti contenevano campi magnetici enormemente forti, che si stima siano circa un trilione di volte più forti del campo magnetico più forte mai creato in un laboratorio.

L'effetto magnetico chirale è un esotico effetto elettromagnetico asimmetrico che sorge solo a causa della combinazione della meccanica quantistica e delle condizioni fisiche estreme in un QGP. Le leggi dell'elettrodinamica classica proibirebbero l'esistenza di un tale stato, e senza dubbio, L'ispirazione di Li per i nuovi esperimenti è nata pensando al problema in termini classici.

"Sono stato ispirato da un problema in un corso universitario che insegnavo sull'elettrodinamica classica, " disse Li.

Due anni fa Li ha scoperto che le collisioni frontali a LHC tra un nucleo di piombo e un singolo protone creavano piccole quantità di particelle che sembravano comportarsi come un liquido. Ad un'analisi più attenta, lui e i colleghi di CMS hanno scoperto che le collisioni stavano creando piccole quantità di QGP.

In un rapporto di Rice News del 2015 sulla scoperta, Alunno del riso Don Lincoln, fisico delle particelle e comunicatore di fisica al Fermilab, ha scritto, "Questo risultato è stato sorprendente perché quando il protone colpisce il nucleo di piombo, fa un buco attraverso gran parte del nucleo, come sparare con un fucile a un cocomero (invece di far scontrare due nuclei di piombo, che è come sbattere due cocomeri insieme)."

Li ha detto, "Una cosa insolita delle goccioline di QGP create nelle collisioni protone-piombo è la configurazione dei loro campi magnetici. Il QGP si forma vicino al centro del nucleo iniziale di piombo, il che rende facile dire che l'intensità del campo magnetico è piuttosto trascurabile rispetto al QGP creato nelle collisioni piombo-piombo. Di conseguenza, le collisioni protone-piombo ci forniscono un mezzo per spegnere il campo magnetico e il segnale CME in un QGP in modo ben controllato".

Nel nuovo giornale, Li, Tu e i loro colleghi CMS hanno mostrato prove dai dati di collisione protone-piombo che aiutano a far luce sui comportamenti elettromagnetici che derivano dall'effetto magnetico chirale nei QGP piombo-piombo.

Li ha detto che ulteriori dettagli devono ancora essere elaborati prima di poter trarre una conclusione definitiva, ma ha detto che i risultati sono di buon auspicio per future scoperte QGP all'LHC.

"Questo è solo un primo passo in una nuova strada aperta dalle collisioni protone-nucleo per la ricerca di fasi topologiche esotiche in QGP, " Li ha detto. "Stiamo lavorando duramente per accumulare più dati e per eseguire una serie di nuovi studi. Auspicabilmente, nei prossimi anni, vedremo la prima prova diretta per l'effetto magnetico chirale."