In un articolo pubblicato oggi in Fisica della natura , la collaborazione ALICE riporta che le collisioni di protoni a volte presentano modelli simili a quelli osservati nelle collisioni di nuclei pesanti. Questo comportamento è stato individuato attraverso l'osservazione dei cosiddetti strani adroni in alcune collisioni di protoni in cui si crea un gran numero di particelle. Gli adroni strani sono particelle ben note con nomi come Kaon, Lambda, Xi e Omega, tutti contenenti almeno un cosiddetto quark strano. La "produzione potenziata di particelle strane" osservata è una caratteristica familiare del plasma di quark e gluoni, uno stato di materia molto caldo e denso che esisteva solo pochi milionesimi di secondo dopo il Big Bang, ed è comunemente creato in collisioni di nuclei pesanti. Ma è la prima volta in assoluto che un tale fenomeno viene osservato senza ambiguità nelle rare collisioni di protoni in cui si creano molte particelle. È probabile che questo risultato metta in discussione i modelli teorici esistenti che non prevedono un aumento di particelle strane in questi eventi.

"Siamo molto entusiasti di questa scoperta, " disse Federico Antinori, Portavoce della collaborazione ALICE. "Stiamo di nuovo imparando molto su questo stato primordiale della materia. Essere in grado di isolare i fenomeni simili a quark-gluoni-plasma in un sistema più piccolo e più semplice, come la collisione tra due protoni, apre una dimensione completamente nuova per lo studio delle proprietà dello stato fondamentale da cui è emerso il nostro universo."

Lo studio del plasma quark-gluone fornisce un modo per indagare le proprietà dell'interazione forte, una delle quattro forze fondamentali conosciute, mentre una maggiore produzione di stranezza è una manifestazione di questo stato della materia. Il plasma di quark-gluoni viene prodotto a temperatura e densità di energia sufficientemente elevate, quando la materia ordinaria passa ad una fase in cui quark e gluoni diventano "liberi" e quindi non sono più confinati all'interno degli adroni. Queste condizioni possono essere ottenute al Large Hadron Collider facendo scontrare nuclei pesanti ad alta energia. I quark strani sono più pesanti dei quark che compongono la materia normale, e in genere più difficile da produrre. Ma questo cambia in presenza dell'elevata densità energetica del plasma di quark-gluoni, che riequilibra la creazione di quark strani rispetto a quelli non strani. Questo fenomeno potrebbe ora essere stato osservato anche all'interno delle collisioni di protoni.

In particolare, i nuovi risultati mostrano che il tasso di produzione di questi strani adroni aumenta con la 'molteplicità' – il numero di particelle prodotte in una data collisione – più velocemente di quello di altre particelle generate nella stessa collisione. Sebbene la struttura del protone non includa i quark strani, i dati mostrano anche che maggiore è il numero di quark strani contenuti nell'adrone indotto, tanto più forte è l'aumento della sua velocità di produzione. Non si osserva alcuna dipendenza dall'energia di collisione o dalla massa delle particelle generate, dimostrando che il fenomeno osservato è legato al contenuto di quark strani delle particelle prodotte. La produzione di stranezza è in pratica determinata contando il numero di particelle strane prodotte in una data collisione, e calcolare il rapporto tra particelle strane e non strane.

Una maggiore produzione di stranezza era stata suggerita come possibile conseguenza della formazione di plasma di quark e gluoni fin dai primi anni ottanta, e scoperto in collisioni di nuclei negli anni novanta da esperimenti al Super Proton Synchrotron del CERN. Un'altra possibile conseguenza della formazione del plasma di quark gluoni è una correlazione spaziale delle particelle dello stato finale, determinando un distinto allineamento preferenziale con la forma di una cresta. Dopo il suo rilevamento in collisioni di nuclei pesanti, la cresta è stata vista anche in collisioni di protoni ad alta molteplicità al Large Hadron Collider, dando la prima indicazione che le collisioni di protoni potrebbero presentare proprietà simili a nuclei pesanti. Studiare più precisamente questi processi sarà la chiave per comprendere meglio i meccanismi microscopici del plasma di quark-gluoni e il comportamento collettivo delle particelle nei piccoli sistemi.

L'esperimento ALICE è stato progettato per studiare le collisioni di nuclei pesanti. Studia anche le collisioni protone-protone, che forniscono principalmente dati di riferimento per le collisioni di nuclei pesanti. Le misurazioni riportate sono state eseguite con dati di collisione protonica a 7 TeV da LHC run 1.