I fisici nucleari che analizzano i dati del rivelatore PHENIX presso il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), una struttura che utilizza l'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) per la ricerca sulla fisica nucleare presso il Brookhaven National Laboratory, hanno pubblicato sulla rivista Fisica della natura ulteriori prove che le collisioni di minuscoli proiettili con nuclei d'oro creano minuscoli granelli del fluido perfetto che riempiva l'universo primordiale.

Gli scienziati stanno studiando questa zuppa calda composta da quark e gluoni, gli elementi costitutivi di protoni e neutroni, per conoscere la forza fondamentale che tiene insieme queste particelle nella materia visibile che costituisce il nostro mondo oggi. La capacità di creare piccoli granelli del brodo primordiale (noto come plasma di quark e gluoni) era inizialmente inaspettata e potrebbe offrire informazioni sulle proprietà essenziali di questa straordinaria forma di materia.

"Questo lavoro è il culmine di una serie di esperimenti progettati per progettare la forma delle goccioline di plasma di quark e gluoni, ", ha affermato il collaboratore di PHENIX Jamie Nagle dell'Università del Colorado, Masso, che ha contribuito a ideare il piano sperimentale e le simulazioni teoriche che il team avrebbe utilizzato per testare i risultati.

L'ultimo documento della collaborazione PHENIX include un'analisi completa delle collisioni tra piccoli proiettili (singoli protoni, deuteroni a due particelle, e nuclei di elio-3 a tre particelle) con grandi nuclei d'oro "bersagli" che si muovono nella direzione opposta a quasi la velocità della luce. Il team ha monitorato le particelle che emergono da queste collisioni, cercando prove che i loro schemi di flusso corrispondessero alle geometrie originali dei proiettili, come ci si aspetterebbe se i minuscoli proiettili stessero effettivamente creando un perfetto plasma liquido di quark e gluoni.

"RHIC è l'unico acceleratore al mondo in cui possiamo eseguire un esperimento così strettamente controllato, particelle in collisione fatte di uno, Due, e tre componenti con lo stesso nucleo più grande, oro, tutto con la stessa energia, " disse Nagle.

Il liquido perfetto induce il flusso

Il liquido "perfetto" è ormai un fenomeno consolidato nelle collisioni tra due nuclei d'oro al RHIC, dove l'intensa energia di centinaia di protoni e neutroni in collisione fonde i confini di queste singole particelle e consente ai loro quark e gluoni costituenti di mescolarsi e interagire liberamente. Le misurazioni al RHIC mostrano che questa zuppa di quark e gluoni scorre come un liquido con una viscosità estremamente bassa (aka, quasi perfezione secondo la teoria dell'idrodinamica). La mancanza di viscosità consente ai gradienti di pressione stabiliti all'inizio della collisione di persistere e di influenzare il modo in cui le particelle che emergono dalla collisione colpiscono il rivelatore.

"Se si creano condizioni di viscosità e gradienti di pressione così bassi nelle collisioni tra piccoli proiettili e nuclei d'oro, lo schema delle particelle raccolte dal rivelatore dovrebbe conservare un po' di "memoria" della forma iniziale di ciascun proiettile, sferica nel caso dei protoni, ellittica per deuteroni, e triangolare per i nuclei di elio-3, " ha dichiarato il portavoce di PHENIX Yasuyuki Akiba, un fisico con il laboratorio RIKEN in Giappone e il RIKEN/Brookhaven Lab Research Center.

PHENIX ha analizzato le misurazioni di due diversi tipi di flusso di particelle (ellittico e triangolare) da tutti e tre i sistemi di collisione e le ha confrontate con le previsioni di ciò che ci si dovrebbe aspettare in base alla geometria iniziale.

"Gli ultimi dati, le misurazioni del flusso triangolare per le collisioni protone-oro e deuterone-oro appena presentate in questo documento, completano il quadro, " ha detto Julia Velkovska, un vice portavoce di PHENIX, che ha guidato un team coinvolto nell'analisi presso la Vanderbilt University. "Questa è una combinazione unica di osservabili che consente una discriminazione decisiva del modello".

"In tutti e sei i casi, le misurazioni corrispondono alle previsioni basate sulla forma geometrica iniziale. Stiamo assistendo a correlazioni molto forti tra la geometria iniziale e i modelli di flusso finali, e il modo migliore per spiegarlo è che il plasma di quark e gluoni è stato creato in questi piccoli sistemi di collisione. Questa è una prova molto convincente, " ha detto Velkovska.

Confronti con la teoria

I modelli di flusso geometrici sono naturalmente descritti nella teoria dell'idrodinamica, quando si crea un liquido quasi perfetto. La serie di esperimenti in cui la geometria delle goccioline è controllata dalla scelta del proiettile è stata progettata per testare l'ipotesi idrodinamica e per contrastarla con altri modelli teorici che producono correlazioni tra particelle non legate alla geometria iniziale. Una di queste teorie enfatizza le interazioni della meccanica quantistica, in particolare tra l'abbondanza di gluoni postulati per dominare la struttura interna dei nuclei accelerati, poiché svolgono un ruolo importante nei modelli osservati nei sistemi di collisione su piccola scala.

Il team di PHENIX ha confrontato i risultati misurati con due teorie basate sull'idrodinamica che descrivono accuratamente il plasma di quark e gluoni osservato nelle collisioni oro-oro di RHIC, così come quelli previsti dalla teoria basata sulla meccanica quantistica. La collaborazione PHENIX ha scoperto che i loro dati si adattano meglio alle descrizioni del plasma di quark e gluoni e non corrispondono, in particolare per due dei sei modelli di flusso, con le previsioni basate sulle interazioni quantomeccaniche dei gluoni.

Il documento include anche un confronto tra le collisioni di ioni d'oro con protoni e deuteroni che sono stati specificamente selezionati per corrispondere al numero di particelle prodotte nelle collisioni. Secondo la previsione teorica basata sulle interazioni dei gluoni, i modelli di flusso delle particelle dovrebbero essere identici indipendentemente dalla geometria iniziale.

"Con tutto il resto a parità di condizioni, vediamo ancora un flusso ellittico maggiore per l'oro deuteronico che per l'oro protonico, che corrisponde più da vicino alla teoria del flusso idrodinamico e mostra che le misurazioni dipendono dalla geometria iniziale, " ha detto Velkovska. "Questo non significa che le interazioni gluone non esistano, " ha continuato. "Questa teoria si basa su solidi fenomeni in fisica che dovrebbero esserci. Ma in base a ciò che stiamo vedendo e alla nostra analisi statistica dell'accordo tra la teoria e i dati, quelle interazioni non sono la fonte dominante dei modelli di flusso finali."

PHENIX sta analizzando dati aggiuntivi per determinare la temperatura raggiunta nelle collisioni su piccola scala. Se abbastanza caldo, quelle misurazioni sarebbero un'ulteriore prova a sostegno della formazione di plasma di quark e gluoni.

L'interazione con la teoria comprese le spiegazioni competitive, continuerà a giocare. Berndt Mueller, Direttore associato di Brookhaven Lab per la fisica nucleare e delle particelle, ha invitato fisici sperimentali e teorici a riunirsi per discutere i dettagli in un seminario speciale che si terrà all'inizio del 2019. "Questo processo di confronto tra misurazioni, avanti e indietro, predizioni, e spiegazioni è un passo essenziale nel percorso verso nuove scoperte, come il programma RHIC ha dimostrato durante i suoi 18 anni di operatività di successo, " Egli ha detto.