Le collisioni di particelle che ricreano il plasma di quark e gluoni (QGP) che riempiva l'universo primordiale rivelano che le goccioline di questo brodo primordiale turbinano molto più velocemente di qualsiasi altro fluido. La nuova analisi dei dati del Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - una struttura utente del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per la ricerca sulla fisica nucleare presso il Brookhaven National Laboratory - mostra che la "vorticità" del QGP supera la vorticosa fluidodinamica del super nuclei di tornado di celle e la Grande Macchia Rossa di Giove di molti ordini di grandezza, e batte persino il record di spin più veloce detenuto da nanogoccioline di elio superfluido.

I risultati, appena pubblicato in Natura , aggiungere un nuovo record all'elenco delle notevoli proprietà attribuite al plasma di quark e gluoni. Questa zuppa composta dai mattoni fondamentali della materia - quark e gluoni - ha una temperatura centinaia di migliaia di volte più calda del centro del sole e una viscosità bassissima, o resistenza al flusso, portando i fisici a descriverlo come "quasi perfetto". Studiando queste proprietà e i fattori che le controllano, gli scienziati sperano di svelare i segreti della forza più forte e meno conosciuta in natura, quella responsabile del legame di quark e gluoni nei protoni e nei neutroni che oggi formano la maggior parte della materia visibile nell'universo.

Nello specifico, i risultati sulla vorticità, o vorticoso movimento fluido, aiuterà gli scienziati a selezionare le diverse descrizioni teoriche del plasma. E con più dati, potrebbe fornire loro un modo per misurare la forza del campo magnetico del plasma, una variabile essenziale per esplorare altri interessanti fenomeni fisici.

"Fino ad ora, la grande storia nel caratterizzare il QGP è che è un fluido caldo che si espande in modo esplosivo e scorre facilmente, " ha detto Michael Lisa, un fisico dell'Ohio State University (OSU) e membro della collaborazione STAR di RHIC. "Ma vogliamo capire questo fluido a un livello molto più fine. Si termalizza, o raggiungere l'equilibrio, abbastanza velocemente da formare vortici nel fluido stesso? E se così fosse, come risponde il fluido alla vorticità estrema?" La nuova analisi, guidato da Lisa e dallo studente laureato dell'OSU Isaac Upsal, dà a STAR un modo per ottenere quei dettagli più fini.

Allineamento dei giri

"La teoria è che se ho un fluido con vorticità - una sottostruttura vorticosa - tende ad allineare gli spin delle particelle che emette nella stessa direzione dei vortici, " disse Lisa. E, mentre ci possono essere molti piccoli vortici all'interno del QGP che puntano tutti in direzioni casuali, in media i loro spin dovrebbero allinearsi con quello che è noto come momento angolare del sistema, una rotazione del sistema generata dalle particelle in collisione mentre sfrecciano l'una sull'altra quasi alla velocità della luce.

Per tracciare le particelle rotanti e il momento angolare, I fisici STAR hanno correlato le misurazioni simultanee a due diversi componenti del rivelatore. Il primo, conosciuti come i Contatori Fascio-Fascio, sedersi alle estremità anteriore e posteriore del rilevatore STAR di dimensioni domestiche, catturando sottili deviazioni nei percorsi delle particelle in collisione mentre passano l'una accanto all'altra. La dimensione e la direzione della deflessione dicono ai fisici quanto momento angolare c'è e in che direzione sta puntando per ogni evento di collisione.

Nel frattempo, STAR's Time Project Chamber, una camera piena di gas che circonda la zona di collisione, traccia i percorsi di centinaia o addirittura migliaia di particelle che escono perpendicolarmente al centro delle collisioni.

"Stiamo cercando specificamente segni di iperoni Lambda, particelle rotanti che decadono in un protone e un pione che misuriamo nella camera di proiezione del tempo, " disse Ernst Sichtermann, un vice portavoce di STAR e scienziato senior presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del DOE. Poiché il protone esce quasi allineato con la direzione di rotazione dell'iperone, tracciare dove questi protoni "figli" colpiscono il rivelatore può essere un sostituto per tracciare come gli spin degli iperoni sono allineati.

"Stiamo cercando una preferenza sistematica per la direzione di questi protoni figli allineati con il momento angolare che misuriamo nei contatori Beam-Beam, " Upsal ha detto. "L'entità di tale preferenza ci dice il grado di vorticità - il tasso medio di vortice - del QGP".

Super rotazione

I risultati rivelano che le collisioni RHIC creano il fluido più vorticoso di sempre, un QGP che gira più veloce di un tornado in corsa, più potente del fluido rotante più veloce mai registrato. "Quindi il fluido più ideale con la viscosità più piccola ha anche la più vorticità, " disse Lisa.

Questo tipo di ha senso, perché la bassa viscosità nel QGP consente alla vorticità di persistere, ha detto Lisa. "La viscosità distrugge i vortici. Con QGP, se lo metti in rotazione, tende a continuare a girare."

I dati sono anche nell'ambito di ciò che diverse teorie hanno previsto per la vorticità del QGP. "Diverse teorie prevedono quantità diverse, a seconda di quali parametri includono, quindi i nostri risultati ci aiuteranno a selezionare quelle teorie e a determinare quali fattori sono più rilevanti, " ha detto Sergei Voloshin, un collaboratore STAR della Wayne State University. "Ma la maggior parte delle previsioni teoriche erano troppo basse, " ha aggiunto. "Le nostre misurazioni mostrano che il QGP è ancora più vorticoso del previsto".

Questa scoperta è stata fatta durante il programma Beam Energy Scan, che sfrutta la capacità unica di RHIC di variare sistematicamente l'energia delle collisioni in un intervallo in cui sono stati osservati altri fenomeni particolarmente interessanti. Infatti, le teorie suggeriscono che questo potrebbe essere l'intervallo ottimale per la scoperta e il successivo studio dell'allineamento di spin indotto dalla vorticità, poiché si prevede che l'effetto diminuisca a un'energia più elevata.

L'aumento del numero di iperoni Lambda tracciati nelle collisioni future presso RHIC migliorerà la capacità degli scienziati STAR di utilizzare queste misurazioni per calcolare la forza del campo magnetico generato nelle collisioni RHIC. La forza del magnetismo influenza il movimento delle particelle cariche mentre vengono create ed emergono dalle collisioni RHIC, quindi misurare la sua forza è importante per caratterizzare completamente il QGP, compreso il modo in cui separa particelle con carica diversa.

"La teoria prevede che il campo magnetico creato negli esperimenti con ioni pesanti è molto più alto di qualsiasi altro campo magnetico nell'universo, " disse Lisa. Per lo meno, essere in grado di misurarlo con precisione potrebbe ottenere un altro record per QGP.