Il nostro mondo è costituito principalmente da particelle costituite da tre quark legati da gluoni. Il processo di unione dei quark, chiamato adronizzazione, è ancora poco compreso. Fisici dell'Istituto di fisica nucleare Accademia polacca delle scienze di Cracovia, lavorando all'interno della Collaborazione LHCb, hanno ottenuto nuove informazioni al riguardo, grazie all'analisi di dati unici raccolti in collisioni ad alta energia di protoni nell'LHC.

Quando i protoni accelerati alla massima energia si scontrano tra loro nell'LHC, le loro particelle componenti - quark e gluoni - creano uno stato intermedio sconcertante. L'osservazione che nelle collisioni di particelle relativamente semplici come i protoni questo stato intermedio presenta le proprietà di un liquido, tipico per collisioni di strutture molto più complesse (ioni pesanti), è stata una grande sorpresa. Proprietà di questo tipo indicano l'esistenza di un nuovo stato della materia:un plasma quark-gluoni in cui quark e gluoni si comportano quasi come particelle libere. Questo liquido esotico si raffredda all'istante. Di conseguenza, i quark ei gluoni si riconnettono tra loro in un processo chiamato adronizzazione. L'effetto di questo è la nascita di adroni, particelle che sono gruppi di due o tre quark. Grazie all'ultima analisi dei dati raccolti ad energie di sette teraelettronvolt, ricercatori dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze (IFJ PAN) di Cracovia, lavorando all'interno della Collaborazione LHCb, acquisito nuove informazioni sul meccanismo di adronizzazione nelle collisioni protone-protone.

"Il ruolo principale nelle collisioni protoniche è giocato da una forte interazione, descritto dalla cromodinamica quantistica. I fenomeni che si verificano durante il raffreddamento del plasma di quark-gluoni sono, però, così complesso in termini di calcolo che fino ad ora non è stato possibile comprendere appieno i dettagli dell'adronizzazione. Eppure è un processo di importanza chiave! È grazie a questo che nei primi istanti dopo il Big Bang, la maggioranza dominante delle particelle che formano il nostro ambiente quotidiano era formata da quark e gluoni, " dice Assoc. Prof. Marcin Kucharczyk (IFJ PAN).

Nell'LHC, l'adronizzazione è estremamente veloce, e avviene in un'area estremamente piccola intorno al punto di collisione del protone:le sue dimensioni raggiungono solo femtometri, o milionesimi di un miliardesimo di metro. Non c'è da meravigliarsi allora, che l'osservazione diretta di questo processo non è attualmente possibile. Per ottenere qualsiasi informazione sul suo corso, i fisici devono ricorrere a vari metodi indiretti. Un ruolo fondamentale è svolto dallo strumento di base della meccanica quantistica:una funzione d'onda le cui proprietà sono mappate dalle caratteristiche delle particelle di un dato tipo (vale la pena notare che sebbene siano trascorsi quasi 100 anni dalla nascita della meccanica quantistica, esistono ancora varie interpretazioni della funzione d'onda!).

"Le funzioni d'onda di particelle identiche si sovrapporranno efficacemente, cioè interferire. Se vengono potenziati a causa di un'interferenza, stiamo parlando di correlazioni di Bose-Einstein, se vengono soppresse - correlazioni di Fermi-Dirac. Nelle nostre analisi, eravamo interessati ai miglioramenti, questo è, le correlazioni di Bose-Einstein. Li stavamo cercando tra i mesoni pi che volano fuori dall'area di adronizzazione in direzioni vicine alla direzione originale dei fasci di protoni in collisione, " spiega il dottorando Bartosz Malecki (IFJ PAN).

Il metodo utilizzato è stato originariamente sviluppato per la radioastronomia e si chiama interferometria HBT (dal nome dei suoi due creatori:Robert Hanbury Brown e Richard Twiss). Quando usato con riferimento a particelle, L'interferometria HBT permette di determinare la dimensione dell'area di adronizzazione e la sua evoluzione nel tempo. Aiuta a fornire informazioni su, Per esempio, se quest'area è diversa per il diverso numero di particelle emesse o per i loro diversi tipi.

I dati del rivelatore LHCb hanno permesso di studiare il processo di adronizzazione nell'area dei cosiddetti piccoli angoli, cioè per adroni prodotti in direzioni vicine alla direzione dei fasci di protoni iniziali. L'analisi eseguita dal gruppo dell'IFJ PAN ha fornito indicazioni che i parametri che descrivono la fonte di adronizzazione in questa regione unica coperta dall'esperimento LHCb a LHC sono diversi dai risultati ottenuti per angoli maggiori.

"L'analisi che ha fornito questi interessanti risultati sarà proseguita nell'esperimento LHCb per varie energie di collisione e diversi tipi di strutture in collisione. Grazie a questo, sarà possibile verificare alcuni dei modelli che descrivono l'aronizzazione e, di conseguenza, per comprendere meglio il corso del processo stesso, " riassume il Prof. Mariusz Witek (IFJ PAN).

Il lavoro dell'équipe dell'IFJ PAN è stato finanziato in parte dalla sovvenzione OPUS del Centro nazionale di scienza polacco.

L'Istituto di fisica nucleare Henryk Niewodniczanski (IFJ PAN) è attualmente il più grande istituto di ricerca dell'Accademia polacca delle scienze. L'ampia gamma di studi e attività dell'IFJ PAN comprende ricerca di base e applicata, che vanno dalla fisica delle particelle e l'astrofisica, attraverso la fisica degli adroni, alto-, medio-, e fisica nucleare a bassa energia, fisica della materia condensata (compresa l'ingegneria dei materiali), alle varie applicazioni dei metodi della fisica nucleare nella ricerca interdisciplinare, che copre la fisica medica, dosimetria, radiazioni e biologia ambientale, protezione ambientale, e altre discipline affini. Il rendimento medio annuo dell'IFJ PAN comprende più di 600 articoli scientifici nei Journal Citation Reports pubblicati da Thomson Reuters. La parte dell'Istituto è il Cyclotron Center Bronowice (CCB) che è un'infrastruttura, unico in Europa centrale, servire come centro clinico e di ricerca nel campo della fisica medica e nucleare. IFJ PAN è membro del Marian Smoluchowski Krakow Research Consortium:"Matter-Energy-Future" che possiede lo status di Leading National Research Center (KNOW) in fisica per gli anni 2012-2017. L'Istituto è di categoria A+ (livello leader in Polonia) nel campo delle scienze e dell'ingegneria.