Ad energie molto elevate, la collisione di massicci nuclei atomici in un acceleratore genera centinaia o addirittura migliaia di particelle che subiscono numerose interazioni. Fisici dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze di Cracovia, Polonia, hanno dimostrato che il corso di questo complesso processo può essere rappresentato da un modello sorprendentemente semplice:la materia estremamente calda si allontana dal punto di impatto, che si estende lungo la traiettoria di volo originale in strisce, e quanto più la striscia è lontana dal piano della collisione, maggiore è la sua velocità.

Quando due nuclei atomici massicci si scontrano ad alte energie, si forma la forma più esotica della materia:un plasma di quark e gluoni che si comporta come un fluido perfetto. Queste considerazioni teoriche mostrano che dopo l'impatto, il plasma si forma in striature lungo la direzione dell'impatto, muovendosi più velocemente quanto più si allontana dall'asse di collisione. Il modello, le sue previsioni e le implicazioni per i dati finora sperimentali sono presentate nella rivista Revisione fisica C .

Le collisioni dei nuclei atomici avvengono con estrema rapidità e a distanze di appena centinaia di femtometri (cioè centinaia di milionesimi di miliardesimo di metro). Le condizioni fisiche sono eccezionalmente sofisticate, e l'osservazione diretta del fenomeno non è attualmente possibile. In tali situazioni, la scienza affronta costruendo modelli teorici e confrontando le loro previsioni con i dati raccolti negli esperimenti. Nel caso di queste collisioni, però, un enorme svantaggio è che il conglomerato di particelle risultante è il plasma di quark e gluoni. Le interazioni tra quark e gluoni sono dominate da forze così forti e complesse che la fisica moderna non è in grado di descriverle con precisione.

"Il nostro gruppo ha deciso di concentrarsi sui fenomeni elettromagnetici che si verificano durante la collisione perché sono molto più facili da esprimere nel linguaggio della matematica. Di conseguenza, il nostro modello si è rivelato abbastanza semplice da permetterci di impiegare i principi di conservazione dell'energia e della quantità di moto senza troppi problemi. Più tardi, abbiamo riscontrato che, nonostante le semplificazioni adottate, le previsioni del modello rimangono almeno il 90 per cento coerenti con i dati sperimentali, " afferma il dottor Andrzej Rybicki (IFJ PAN).

Enormi nuclei atomici accelerati ad alte velocità, osservato in laboratorio, sono appiattite nella direzione del moto per effetto della teoria della relatività. Quando due di questi "pancake" di protoni-neutroni volano l'uno verso l'altro, la collisione generalmente non è centrale:solo alcuni dei protoni e dei neutroni di un nucleo raggiungono l'altro, entrare in interazioni violente e formare il plasma di quark-gluoni. Allo stesso tempo, alcuni dei frammenti esterni delle frittelle nucleari non incontrano ostacoli sulla loro strada, e continuare il loro volo ininterrotto; nel gergo dei fisici, sono chiamati "spettatori".

"Il nostro lavoro è stato ispirato dai dati raccolti in precedenti esperimenti con collisioni nucleari, compresi quelli realizzati all'acceleratore SPS. Gli effetti elettromagnetici che si verificano in queste collisioni che abbiamo esaminato hanno mostrato che il plasma di quark-gluoni si muove a una velocità maggiore quanto più è vicino agli spettatori, " dice il dottor Rybicki.

Per riprodurre questo corso del fenomeno, i fisici dell'IFJ PAN decisero di dividere i nuclei lungo la direzione del movimento in una serie di strisce - "mattoni". Ogni nucleo in sezione sembrava quindi una pila di mattoni impilati (nel modello, la loro altezza era di un femtometro). Invece di considerare le complesse interazioni forti e i flussi di quantità di moto ed energia tra centinaia e migliaia di particelle, il modello riduceva il problema a diverse dozzine di collisioni parallele, ciascuno che si verifica tra due mattoni protone-neutrone.

Gli scienziati dell'IFJ PAN hanno confrontato le previsioni del modello con i dati raccolti dalle collisioni di nuclei massicci misurati dall'esperimento NA49 al Super Proton Synchrotron (SPS). Questo acceleratore si trova presso l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare del CERN vicino a Ginevra, dove uno dei suoi compiti più importanti ora è accelerare le particelle sparate nell'acceleratore LHC.

"A causa dell'entità delle difficoltà tecniche, i risultati dell'esperimento NA49 sono soggetti a specifiche incertezze di misura difficili da ridurre o eliminare completamente. In realtà, la precisione del nostro modello può essere addirittura superiore al già citato 90 percento. Questo ci autorizza a dire che anche se ci fossero ulteriori, ancora non incluso, meccanismi fisici nelle collisioni, non dovrebbero più influenzare in modo significativo il quadro teorico del modello, " afferma il dottorando Miroslaw Kielbowicz (IFJ PAN).

Dopo aver sviluppato il modello delle collisioni delle cataste di mattoni, ' i ricercatori dell'IFJ PAN hanno scoperto che una struttura teorica molto simile, chiamato il "modello della striscia di fuoco, ' era già stato proposto da un gruppo di fisici del Lawrence Berkeley Laboratory (USA) e del Saclay Nuclear Research Center in Francia nel 1978.

"Il precedente modello di striature di fuoco che, infatti, menzioniamo nella nostra pubblicazione, è stato costruito per descrivere altre collisioni che si verificano a energie inferiori. Abbiamo realizzato la nostra struttura in autonomia e per una diversa fascia energetica, " afferma il Prof. Antoni Szczurek (IFJ PAN, University of Rzeszow) e sottolinea:"L'esistenza di due modelli indipendenti basati su un'idea fisica simile e corrispondenti a misurazioni in diversi intervalli di energia delle collisioni aumenta la probabilità che la base fisica su cui sono costruiti questi modelli sia corretta".

Il modello della striscia di fuoco di Cracovia fornisce nuove informazioni sull'espansione del plasma di quark e gluoni nelle collisioni ad alta energia di nuclei atomici massicci. Lo studio di questi fenomeni si sta ulteriormente ampliando nell'ambito di un altro esperimento internazionale, NA61/SHINE all'acceleratore SPS.