Scienziati dell'Istituto Niels Bohr, Università di Copenaghen, e i loro colleghi della collaborazione internazionale ALICE hanno recentemente fatto scontrare nuclei di xeno nel Large Hadron Collider superconduttore al fine di ottenere nuove informazioni sulle proprietà del plasma di quark e gluoni (QGP). Il QGP è uno stato speciale costituito dai quark e dai gluoni che legano insieme i quark. I risultati sono stati pubblicati in Lettere di fisica B .

I ricercatori hanno sostituito gli ioni piombo solitamente utilizzati per le collisioni con ioni xeno. Lo xeno è un atomo più piccolo con meno nucleoni nel suo nucleo. Quando si scontrano gli ioni, gli scienziati creano una palla di fuoco che ricrea le condizioni iniziali dell'universo a temperature superiori a diverse migliaia di miliardi di gradi. In contrasto con l'universo, la vita delle goccioline di QGP prodotte in laboratorio è ultra breve, una frazione di secondo (circa 10 ^-22 secondi). In queste condizioni, la densità di quark e gluoni è molto alta, e uno stato speciale delle forme della materia in cui quark e gluoni sono quasi-liberi, nello stato QGP fortemente interagente. Gli esperimenti rivelano che nell'istante prima che gli atomi si formassero nell'universo, la materia primordiale si comportava come un liquido che può essere descritto in termini di idrodinamica.

"Una delle sfide che stiamo affrontando è che, in forti collisioni di ioni, solo le informazioni sullo stato finale delle molte particelle che vengono rilevate dagli esperimenti sono direttamente disponibili, ma vogliamo sapere cosa è successo all'inizio della collisione e nei primi istanti dopo, " dice Tu Zhou, postdoc nel gruppo di ricerca Fisica Subatomica Sperimentale presso l'Istituto Niels Bohr. "Abbiamo sviluppato strumenti nuovi e potenti per studiare le proprietà della piccola goccia di QGP che abbiamo creato negli esperimenti".

I ricercatori hanno studiato la distribuzione spaziale delle molte migliaia di particelle emerse dalle collisioni quando i quark e i gluoni sono rimasti intrappolati nelle particelle di cui è composto l'universo oggi. Questo riflette non solo la geometria iniziale della collisione, ma è sensibile alle proprietà del QGP. Può essere visto come un flusso idrodinamico. "Le proprietà di trasporto del plasma di quark-gluoni determineranno la forma finale della nuvola di particelle prodotte dopo la collisione, quindi questo è il nostro modo di affrontare il momento stesso della creazione di QGP, "Tu Zhou dice.

Il grado di distribuzione delle particelle anisotrope - il fatto che ci siano più particelle in determinate direzioni - riflette tre informazioni principali:la prima è la geometria iniziale della collisione. Il secondo sono le condizioni prevalenti all'interno dei nucleoni in collisione. Il terzo è la viscosità di taglio del plasma di quark-gluoni stesso. La viscosità al taglio esprime la resistenza del liquido al flusso, una proprietà fisica chiave della materia creata. "È uno dei parametri più importanti per definire le proprietà del plasma di quark-gluoni, "Si Zhou spiega, "perché ci dice quanto fortemente i gluoni legano insieme i quark."

"Con le nuove collisioni allo xeno, abbiamo posto vincoli molto stretti ai modelli teorici che descrivono il risultato. Indipendentemente dalle condizioni iniziali, piombo o xeno, la teoria deve essere in grado di descriverli simultaneamente. Se vengono rivendicate determinate proprietà della viscosità del plasma di quark gluoni, il modello deve descrivere entrambi i set di dati contemporaneamente, " dice You Zhou. Le possibilità di ottenere maggiori informazioni sulle effettive proprietà della "zuppa primordiale" sono quindi migliorate in modo significativo con i nuovi esperimenti. Il team prevede di far scontrare altri sistemi nucleari per limitare ulteriormente la fisica, ma ciò richiederà un significativo sviluppo di nuovi fasci di LHC.