I plasmi di quark-gluoni sono tra i soggetti più studiati dai fisici negli ultimi tempi. Grazie ai più grandi acceleratori di particelle oggi in funzione, il Large Hadron Collider (LHC) in Europa e il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) negli Stati Uniti, è ora possibile riprodurre in laboratorio un plasma di quark-gluoni. Si ritiene che questo stato della materia abbia predominato nell'universo per una frazione di secondo dopo il Big Bang.

Secondo il modello cosmologico standard, la durata del plasma di quark-gluoni nell'universo primordiale non era superiore a un milionesimo di secondo, poiché si pensa che l'universo si sia raffreddato di circa 10 ^-6 secondi dopo il Big Bang, al punto che quark e gluoni non potevano più muoversi liberamente e venivano invece confinati negli adroni (protoni, neutroni, mesoni, eccetera.). Nelle collisioni nucleari ad alta energia prodotte a LHC e RHIC, i plasmi di quark e gluoni durano per un tempo ancora più breve, circa 10 ^-23 secondi, a causa dei ripidi gradienti di pressione. Nonostante la loro transitorietà e il loro piccolo volume (il diametro di un protone è dell'ordine di 10 ^-15 m), i plasmi di quark-gluoni nascondono un'attività interna intensa e complessa.

Questa attività viene gradualmente rivelata negli esperimenti LHC e RHIC, e sono stati sviluppati nuovi approcci teorici per spiegare o prevedere i loro risultati. Il caso in questione, tra tanti altri, è lo studio dal titolo "Previsioni idrodinamiche per correlazioni armoniche miste in collisioni da 200 GeV Au+Au, " pubblicato in Revisione fisica C ed evidenziato come un suggerimento della redazione.

Lo studio è stato condotto da Fernando Gardim dell'Istituto di scienza e tecnologia dell'Università federale di Alfenas, Stato di Minas Gerais (Brasile sudorientale); Frédérique Grassi e Matthew Luzum dell'Istituto di Fisica dell'Università di São Paulo (USP); e Jacquelyn Noronha-Hostler del Dipartimento di Fisica dell'Università di Houston.

"A causa della sua brevissima durata, un plasma di quark-gluoni non può essere osservato direttamente, "Gli esperimenti hanno detto. "Gli esperimenti sono in grado di rilevare gli adroni formati quando quark e gluoni si ricombinano. Questi adroni si propagano in diverse direzioni. La loro distribuzione angolare attorno all'asse di collisione fornisce informazioni molto rilevanti sulla struttura e la dinamica del plasma e, di conseguenza, sulla natura delle interazioni fondamentali nella materia. Il nostro studio, che era teorico, deciso di prevedere modelli specifici nella distribuzione angolare degli adroni."

I ricercatori hanno utilizzato un modello idrodinamico chiamato NeXSPheRIO, che riproduceva accuratamente un'ampia gamma di dati ottenuti sperimentalmente presso RHIC. Le simulazioni al computer eseguite su questa base hanno permesso ai ricercatori di fare previsioni che possono essere testate in nuovi esperimenti in modo che il modello possa essere convalidato o corretto.

"La distribuzione angolare osservata negli esperimenti è scomposta in una sequenza nota in matematica come serie di Fourier, " ha spiegato Grassi. "Ogni termine della serie corrisponde a una caratteristica specifica della distribuzione, e la serie nel suo insieme ci dice quante particelle si muovono secondo ogni schema. La frase "correlazioni armoniche miste" utilizzata nel titolo è il termine tecnico che denomina le correlazioni tra diversi coefficienti di Fourier.

"Se un plasma di quark e gluoni fosse strettamente omogeneo e avesse le proprietà di un gas, se le sue particelle interagissero molto poco, allora il flusso risultante di adroni sarebbe isotropo [uguale in tutte le direzioni]. Ma non è così. Flussi effettivi rilevati sperimentalmente sono anisotropi, e la distribuzione angolare mostra coefficienti di Fourier non nulli, il che ci dice che il plasma non è omogeneo e che le sue particelle interagiscono fortemente."

I coefficienti di distribuzione sono classificati in base alle loro caratteristiche geometriche come ellittiche, triangolare, quadrangolare, pentagonale, ecc. Il flusso predominante è ellittico, perché il getto di adroni è molto più forte in una delle direzioni ortogonali all'asse di collisione. Questa distribuzione, che risulta dalla forte interazione tra quark e gluoni, indica che il plasma non è un gas ma un liquido. Però, non è un liquido qualunque. Il fatto che il flusso ellittico non sia attenuato mostra che la viscosità di questo liquido è estremamente bassa. Infatti, un plasma di quark e gluoni è il liquido meno viscoso o più perfetto mai scoperto.

"Ricerche precedenti avevano già dimostrato che un plasma di quark e gluoni è un liquido quasi perfetto. Ciò che il nostro studio ha aggiunto è stata una migliore comprensione della non omogeneità della distribuzione di energia all'interno del plasma, " spiegò Grassi. Con la sua brevissima durata e le dimensioni minute, un plasma di quark e gluoni è altamente dinamico. Le fluttuazioni fanno sì che la sua densità di energia vari da una regione all'altra. Lo studio offre una visione più approfondita del legame tra queste dinamiche e fluttuazioni.

"Poiché NeXSPheRIO ha finora concordato bene con tutte le osservazioni fatte fino ad oggi al RHIC, riteniamo che le sue previsioni possano essere utilizzate come base di confronto per nuove misurazioni da effettuare presso il collisore statunitense, " ha detto Grassi. "Qualsiasi deviazione dalle previsioni fornirà preziose informazioni non banali, o sulla fase iniziale della collisione che dà origine al plasma o sulle proprietà intrinseche del mezzo."