Le collisioni dei nuclei di piombo nel Large Hadron Collider (LHC) avvengono a energie così grandi che vengono rilasciati quark che normalmente sono confinati all'interno dei nucleoni e, insieme ai gluoni che li tengono insieme, formano un plasma esotico di quark e gluoni. Una nuova, modello teorico più dettagliato per questo plasma, presentato da un gruppo di fisici polacchi e statunitensi, prevede che abbia una viscosità molto più bassa di quanto precedentemente stimato.

Il nostro mondo quotidiano consiste principalmente di protoni e neutroni, ciascuno contenente tre quark tenuti insieme da interazioni forti veicolate da portatori chiamati gluoni. Contrariamente alla gravità, che agisce più debolmente a distanza, le interazioni forti dei quark aumentano con la distanza maggiore. I quark si comportano come se fossero collegati a delle sorgenti:più li separi, più si sforzano di rimanere connessi. Però, le energie delle particelle accelerate all'interno dell'LHC sono così alte che, durante le collisioni, i quark vengono rilasciati dai protoni. Il plasma di quark e gluoni viene prodotto per un breve periodo, il fluido più esotico mai esaminato in laboratorio. Fino a poco tempo fa, i fisici credevano che fosse piuttosto viscoso. Una conclusione diversa è emersa dalle analisi dei ricercatori dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze (IFJ PAN) di Cracovia e della Kent State University nel Kent (Ohio, STATI UNITI D'AMERICA).

"In fisica, i flussi sono descritti usando equazioni idrodinamiche. Quando si applicano le versioni più semplici di questi all'evoluzione del plasma di quark e gluoni, le previsioni sono abbastanza coerenti con le misurazioni di collisione di LHC. A prima vista, la zuppa di quark e gluoni sembra davvero comportarsi secondo semplici aspettative. Però, quando iniziamo a guardare da vicino, diventa subito evidente che si tratta di un fenomeno molto complesso, " afferma il dottor Radoslaw Ryblewski (IFJ PAN).

La descrizione matematica del fluido presuppone che il fluido sia perfetto, cioè privo di viscosità. Poiché in natura non esistono fluidi perfetti, vengono introdotte varie correzioni per migliorare l'accuratezza delle equazioni idrodinamiche. Però, le varianti risultanti dell'idrodinamica dei fluidi viscosi si basano su ulteriori ipotesi, ad esempio, che le pressioni nel fluido cambiano allo stesso modo in tutte le direzioni.

"Il problema è che il plasma di quark e gluoni nell'LHC viene prodotto in un modo molto specifico, come risultato di collisioni di nuclei di piombo che si avvicinano lungo una direzione a velocità prossime a quella della luce. Di conseguenza, il fluido formato da quark e gluoni si muove inizialmente lungo la direzione del fascio, e solo allora inizia a raffreddarsi e diluirsi in tutte le direzioni, " spiega il Dr. Ryblewski. "Quando si crea un modello, la portata della sfida aumenta ancora di più quando si cerca di tener conto del fatto che all'inizio del processo, il fluido è diverso rispetto alla fine, poiché dopo il raffreddamento, i quark iniziano gradualmente a riattaccarsi. Così, insieme al Prof. Wojciech Florkowski, abbiamo iniziato a sviluppare un modello più dettagliato del fenomeno:idrodinamica anisotropa, costruito sul presupposto che il sistema non si comporta allo stesso modo in tutte le direzioni."

L'ultimo modello teorico, costruito sulla base dell'idrodinamica anisotropa, è appena stato presentato in Lettere di revisione fisica . Una delle sue conclusioni più interessanti riguarda la viscosità del plasma di quark e gluoni. Questa viscosità risulta essere sei volte inferiore alle previsioni numeriche di altri modelli basati sull'idrodinamica del fluido viscoso.

A differenza delle precedenti equazioni, in certi casi, i nuovi possono essere risolti praticamente con qualsiasi livello di precisione. Combinando le loro previsioni con i dati di altri modelli e confrontandole ripetutamente con le misurazioni effettive nell'esperimento ALICE all'LHC, il team polacco-americano ha dimostrato che l'idrodinamica anisotropa è attualmente la descrizione più accurata dei fenomeni che si verificano nel plasma di quark e gluoni.