Le particelle che emergono anche dalle collisioni a più bassa energia di piccoli deuteroni con grandi nuclei pesanti presso il 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 del DOE, mostrano il comportamento che gli scienziati associano con la formazione di una zuppa di quark e gluoni, gli elementi costitutivi fondamentali di quasi tutta la materia visibile. Questi risultati dell'esperimento PHENIX di RHIC suggeriscono che queste collisioni su piccola scala potrebbero produrre minuscoli, granelli di materia di breve durata che imitano com'era l'universo primordiale quasi 14 miliardi di anni fa, subito dopo il Big Bang.

Gli scienziati hanno costruito RHIC, in gran parte, per creare questo "plasma di quark e gluoni" (QGP) in modo che potessero studiarne le proprietà e apprendere come la forza più forte della natura unisce quark e gluoni per formare i protoni, neutroni, e gli atomi che oggi compongono l'universo visibile. Ma inizialmente si aspettavano di vedere segni di QGP solo in collisioni altamente energetiche di due ioni pesanti come l'oro. Le nuove scoperte - correlazioni nel modo in cui le particelle emergono dalle collisioni che sono coerenti con ciò che i fisici hanno osservato nelle collisioni di grandi ioni più energiche - si aggiungono a un crescente corpo di prove da RHIC e dal Large Hadron Collider (LHC) europeo che QGP può essere creato anche in sistemi più piccoli.

La collaborazione PHENIX ha presentato alle riviste i risultati in due articoli separati Lettere di revisione fisica e revisione fisica C, e presenterà questi risultati in un incontro a Cracovia, Polonia questa settimana.

"Questi sono i primi documenti che escono dalle collisioni deuterone-oro del 2016, e questa è un'indicazione che probabilmente stiamo creando QGP in piccoli sistemi, " ha detto Julia Velkovska, un vice portavoce di PHENIX della Vanderbilt University. "Ma ci sono altre cose che abbiamo visto nei sistemi più grandi che dobbiamo ancora indagare in questi nuovi dati. Cercheremo altre prove di QGP nei piccoli sistemi usando modi diversi per studiare le proprietà del sistema che noi stanno creando, " lei disse.

Flusso collettivo

Uno dei primi segni che le collisioni di due ioni d'oro di RHIC stavano creando QGP è venuto sotto forma di "flusso collettivo" di particelle. Dall'"equatore" di due ioni in collisione semi-sovrapposti sono emerse più particelle che perpendicolari alla direzione di collisione. Questo modello di flusso ellittico, gli scienziati credono, è causato dalle interazioni delle particelle con il QGP quasi "perfetto", che significa liquido a flusso libero, creato nelle collisioni. Da allora, le collisioni di particelle più piccole con ioni pesanti hanno portato a modelli di flusso simili sia a RHIC che a LHC, anche se su scala ridotta. Ci sono state anche prove che i modelli di flusso hanno una forte relazione con la forma geometrica della particella del proiettile che si scontra con il nucleo più grande.

"Con questi risultati in mano, volevamo provare sistemi sempre più piccoli a diverse energie, " ha detto Velkovska. "Se cambi l'energia, è possibile modificare il tempo in cui il sistema rimane in fase liquida, e magari farlo scomparire."

In altre parole, volevano vedere se potevano disattivare la creazione di QGP.

"Dopo tanti anni abbiamo imparato che quando si crea QGP nelle collisioni sappiamo riconoscerlo, ma questo non significa che capiamo davvero come funziona, "Stiamo cercando di capire come emerge ed evolve il comportamento del fluido perfetto", ha detto Velkovska. Quello che stiamo facendo ora—scendere in energia, cambiare la dimensione è uno sforzo per imparare come questo comportamento si presenta in condizioni diverse. RHIC è l'unico collisore al mondo che consente una tale gamma di studi su diverse energie di collisione con diverse specie di particelle in collisione".

Abbassare l'energia

Per un periodo di circa cinque settimane nel 2016, il team PHENIX ha esplorato le collisioni di deuteroni (composti da un protone e un neutrone) con ioni d'oro a quattro diverse energie (200, 62.4, 39, e 19,6 miliardi di elettronvolt, o GeV).

"Grazie alla versatilità di RHIC e alla capacità del personale del reparto di accelerazione e collisione di Brookhaven di cambiare e mettere a punto rapidamente la macchina per diverse energie di collisione, PHENIX è stata in grado di registrare oltre 1,5 miliardi di collisioni in questo breve periodo di tempo, " ha detto Velkovska.

Per il documento presentato a PRC, Darren McGlinchey, un collaboratore di PHENIX del Los Alamos National Laboratory, condotto un'analisi di come le particelle sono emerse lungo il piano ellittico delle collisioni in funzione del loro momento, quanto erano centrali (completamente sovrapposte) le collisioni, e quante particelle sono state prodotte.

"L'uso di un proiettile deuteronico produce una forma altamente ellittica, e abbiamo osservato una persistenza di quella geometria iniziale nelle particelle che rileviamo, anche a bassa energia, " ha detto McGlinchey. Tale persistenza della forma potrebbe essere causata dall'interazione con un QGP creato in queste collisioni. "Questo risultato non è una prova sufficiente per dichiarare che QGP esiste, ma ne è una prova crescente, " Egli ha detto.

Ron Belmont, un collaboratore di PHENIX dell'Università del Colorado, ha condotto un'analisi di come erano correlati i modelli di flusso di più particelle (due e quattro particelle a ciascuna energia e sei alla massima energia). Tali risultati sono stati presentati a PRL.

"Abbiamo trovato un modello molto simile nelle correlazioni sia a due che a quattro particelle per tutte le diverse energie, e anche nelle correlazioni a sei particelle alla massima energia, " ha detto Belmonte.

"Entrambi i risultati sono coerenti con il fatto che il flusso di particelle viene osservato fino all'energia più bassa. Quindi i due documenti lavorano insieme per dipingere un bel quadro, " Ha aggiunto.

Ci sono altre possibili spiegazioni per i risultati, inclusa l'esistenza postulata di un'altra forma di materia nota come condensato di vetro colorato che si pensa sia dominata dalla presenza di gluoni nel cuore di tutta la materia visibile.

"Per distinguere il condensato di vetro colorato da QGP, abbiamo bisogno di descrizioni teoriche più dettagliate di come appaiono queste cose, " ha detto Belmonte.

Velkovska ha notato che molti nuovi studenti sono stati reclutati per continuare l'analisi dei dati esistenti dall'esperimento PHENIX, che ha smesso di acquisire dati dopo la corsa del 2016 per far posto a un rivelatore rinnovato noto come sPHENIX.

"C'è molto di più in arrivo da PHENIX, " lei disse.