Il plasma di quark-gluoni si forma a seguito di collisioni ad alta energia di ioni pesanti. Dopo una collisione, per una dozzina di yoctosecondi (10 ^-24 secondi), questo più perfetto di tutti i fluidi conosciuti subisce una rapida espansione idrodinamica con velocità prossime a quella della luce. Un team internazionale di scienziati, associato all'IFJ PAN e al Centro GSI, ha presentato un nuovo modello che descrive questi flussi estremi. Per la prima volta, vengono presi in considerazione gli effetti derivanti dalla rotazione quantistica delle particelle.

Ogni protone e ogni neutrone è composto da diversi quark legati da interazioni forti trasportate da particelle intermedie chiamate gluoni. Quando ioni pesanti costituiti da protoni e neutroni vicini alla velocità della luce si scontrano tra loro, di solito vengono distrutti, trasformandosi in un esotico plasma di quark-gluoni. A causa della sua trascurabile viscosità, questo plasma è considerato il fluido più perfetto dell'universo. Nuove misurazioni sperimentali, però, suggeriscono che le particelle che lasciano il plasma mostrano una disposizione non banale delle loro direzioni di spin. Per spiegare questi risultati, un gruppo di scienziati dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze (IFJ PAN) di Cracovia e del GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research di Darmstadt (Germania) ha presentato un nuovo modello di flussi relativistici di plasma di quark-gluoni, tenendo conto dei fenomeni derivanti dallo spin quantistico delle particelle che lo compongono.

Per circa dieci microsecondi dopo il Big Bang, il plasma di quark e gluoni riempiva l'intero Universo. Però, si è rapidamente raffreddato e i gluoni hanno unito i quark in gruppi, le particelle di cui è costituito il nostro mondo. Di conseguenza, il fluido quark-gluone oggi può essere visto solo come l'effetto di collisioni ad alta energia di ioni pesanti (e, possibilmente, anche di sistemi collidenti più piccoli costituiti da protoni e ioni). Collisioni di questo tipo sono attualmente in corso in pochi centri acceleratori nel mondo.

Il flusso di fluidi e gas è trattato in idrodinamica, un campo che è stato sviluppato per secoli. Dopo la nascita della teoria della relatività, l'idrodinamica classica è stata estesa da fenomeni relativistici, che si verifica quando il fluido scorre a velocità prossime a quella della luce. Dopo la nascita della teoria quantistica, l'idrodinamica è stata estesa dalle descrizioni del flusso di particelle con spin.

Lo spin è una caratteristica delle particelle elementari associata alle proprietà delle loro funzioni d'onda rispetto alla rotazione. Può assumere solo valori discreti, per esempio. 0, 1/2, 1, 3/2, ecc. La direzione di rotazione delle particelle con spin 1/2 può essere uguale a +1/2 o -1/2 rispetto a qualsiasi asse. La polarizzazione diversa da zero delle particelle con spin 1/2 significa che le particelle prodotte hanno maggiori probabilità di assumere una direzione di spin (+1/2 o -1/2).

"L'idrodinamica è uno strumento eccellente per descrivere molti fenomeni fisici. Abbiamo ampliato il suo ambito di applicabilità. Siamo i primi a presentare una descrizione coerente dei flussi di particelle relativistiche con spin 1/2, " spiega il Prof. Wojciech Florkowski (IFJ PAN, UJK, EMM), che in collaborazione con il gruppo del Prof. Bengt Friman (GSI) ha sviluppato un nuovo modello di flusso.

Il lavoro sul modello dei flussi relativistici con spin è stato ispirato da recenti misurazioni della polarizzazione degli spin di particelle note come iperoni Lambda (questi sono conglomerati di tre quark:up, giù e strano, con una rotazione totale di 1/2), registrato nelle collisioni di ioni pesanti. I fisici hanno a lungo sperimentato nel tentativo di comprendere meglio la polarizzazione degli iperoni Lambda. Le misure, però, erano soggetti a notevole incertezza. Recentemente, negli esperimenti condotti al Brookhaven National Laboratory di New York, è stato dimostrato che gli spin degli iperoni Lambda si sono formati in collisioni di nuclei pesanti che sono polarizzati.

È noto da tempo che la rotazione di un oggetto quantistico contribuisce al suo momento totale. Per esempio, in materiali ferromagnetici, si può osservare l'effetto Einstein-de Haas. Quando un sistema non polarizzato viene posto in un campo magnetico, lo spin delle particelle inizia ad orientarsi secondo il campo magnetico, il che significa che per mantenere il momento angolare totale, il sistema deve iniziare a ruotare. L'osservazione della polarizzazione degli iperoni Lambda formatisi a seguito di trasformazioni di plasma quark-gluoni indica quindi il ruolo difficile da ignorare dello spin nel plasmare il flusso di questo plasma.

Il modello presentato dal gruppo di fisici dell'IFJ PAN e del GSI è una generalizzazione dell'idrodinamica del fluido perfetto. Poiché c'è spin nei sistemi descritti, il principio di conservazione del momento angolare avrebbe dovuto essere incluso nella descrizione teorica.

"Proprio come la temperatura è associata al principio di conservazione dell'energia, velocità con il principio di conservazione della quantità di moto, e potenziale elettrico con il principio di conservazione della corrente di carica, quindi nei sistemi da noi descritti, la polarizzazione di spin è associata al principio di conservazione della quantità di moto. Quando si tiene conto di questo principio, ottieni equazioni aggiuntive, descrivere meglio l'evoluzione del sistema, " spiega il prof. Florkowski.

Il plasma di quark-gluoni è uno stato così esotico della materia che per decenni, le applicazioni tecnologiche saranno fuori portata. Però, questi studi hanno importanti implicazioni oggi. I flussi relativistici di particelle con spin sono una nuova finestra sul mondo delle interazioni forti, quale, tra l'altro, legare i quark in protoni e neutroni. Così, le interazioni forti svolgono un ruolo molto importante nell'universo, ma sono estremamente complicati da descrivere. Perciò, i ricercatori sperano che nei flussi relativistici con spin sarà possibile conoscere un po' meglio questi effetti.