Le collisioni dei nuclei di piombo avvengono in condizioni fisiche estreme. Il loro andamento può essere descritto utilizzando un modello che presuppone che la trasformazione, materia estremamente calda, il plasma di quark e gluoni, scorre sotto forma di centinaia di striature. Fino ad ora, le "striature di fuoco" sembravano strutture puramente teoriche. Però, l'ultima analisi delle collisioni dei singoli protoni rafforza l'ipotesi che rappresentino un vero e proprio fenomeno fisico.

Nel 2017, i fisici dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze (IFJ PAN) di Cracovia hanno presentato un modello dei fenomeni che si verificano durante le collisioni di nuclei di piombo ad alte energie che ha catturato l'immaginazione. Il modello presupponeva che la materia esotica derivante dalle collisioni, il plasma di quark-gluoni, si allontana dal punto di impatto sotto forma di numerose striature che si estendono lungo la direzione originale di movimento dei nuclei. Queste strisce si spostano più velocemente quanto più sono lontane dall'asse di collisione. Ora i ricercatori hanno applicato il modello delle "striature di fuoco" a collisioni protone-protone molto più semplici. Quando hanno confrontato le loro previsioni con i dati raccolti negli esperimenti presso il centro di ricerca nucleare europeo del CERN, erano piuttosto sorpresi.

I nuclei di piombo contengono oltre duecento protoni e neutroni. Quando due oggetti così grandi si scontrano con un'energia sufficientemente grande, si forma una miscela liquida di quark e gluoni (particelle che in condizioni normali raggruppano i quark in protoni e neutroni). Il plasma di quark e gluoni si espande rapidamente e contemporaneamente si raffredda. Di conseguenza, esiste così brevemente e in un'area di spazio così piccola (solo centinaia di milionesimi di miliardesimo di metro) che non possiamo osservarla direttamente. Inoltre, le interazioni tra le particelle di plasma sono dominate da forze così complesse che la fisica moderna semplicemente non è in grado di descriverle quantitativamente. Tracce del plasma di quark-gluoni possono essere viste solo indirettamente, in particelle provenienti dal luogo di collisione. La teoria prevede che se il plasma di quark-gluoni viene effettivamente prodotto, rivelatori dovrebbero registrare un numero nettamente maggiore di particelle strane (cioè, quelli che contengono quark strani).

"Le collisioni protone-protone negli acceleratori del CERN producono poche particelle strane. È quindi generalmente accettato che il plasma di quark-gluoni non si forma durante queste collisioni. Abbiamo tenuto conto di questo fatto nel nostro modello di striature di fuoco, e poi abbiamo confrontato le sue previsioni con i dati dell'esperimento NA49 all'acceleratore SPS. La conformità è stata sorprendentemente buona. Quindi possiamo dire che ora abbiamo "visto" una serie di incendi in condizioni fisiche qualitativamente diverse, dove non ce lo aspettavamo affatto!" spiega il Dr. Andrzej Rybicki (IFJ PAN), uno degli autori della pubblicazione in Revisione fisica C .

"Abbiamo dovuto modellare la collisione di due nuclei di piombo come una combinazione di diverse centinaia di strisce di fuoco. In queste condizioni è difficile commentare le proprietà di una singola striscia. Tuttavia, quando abbiamo estratto la distribuzione di rapidità dal modello, cioè la velocità relativistica delle particelle prodotte da una singola striscia, si è scoperto che la sua forma descrive molto bene i dati reali delle misurazioni della produzione di particelle nelle collisioni protone-protone, " elabora Mirek Kielbowicz, dottorato di ricerca studente all'IFJ PAN.

Per far concordare i grafici ottenuti utilizzando il modello fire streak costruito per le collisioni dei nuclei di piombo con i dati sperimentali per le collisioni protone-protone, dovevano essere ridimensionati di un fattore di 0,748. I ricercatori di Cracovia hanno dimostrato che questo parametro non è libero. Infatti, appare nei calcoli dopo aver tenuto conto delle variazioni del bilancio energetico causate dalla produzione variabile di particelle strane e può essere riprodotto dai dati sperimentali. Questo era un altro forte argomento a sostegno della correttezza fisica del modello.

"Sto lavorando sul modello della striscia di fuoco come parte della mia tesi di master, quindi non mi ha sorpreso che descriva dati da collisioni nucleo-nucleo su un ampio intervallo di energia. Però, quando ho visto che la funzione di frammentazione estratta da noi concorda così bene con i dati delle collisioni protone-protone, era difficile nascondere il mio stupore, " ricorda Lukasz Rozplochowski, uno studente dell'Università Jagellonica che lavora con il team scientifico dell'IFJ PAN.

La materia derivante dalle collisioni protone-protone, più freddo e qualitativamente diverso dal plasma di quark-gluoni, quindi sembra comportarsi come una singola serie di fuoco. Alcune delle sue proprietà, come la velocità delle particelle emesse o il loro decadimento, sono per qualche ragione sorprendentemente simili alle proprietà delle strisce di fuoco del plasma di quark e gluoni. E poiché il plasma di quark-gluoni si forma a energie più elevate e nelle collisioni di oggetti quantistici di maggiore complessità, diventa legittimo dire che eredita alcune delle caratteristiche della materia che forma le strisce di fuoco nelle collisioni protone-protone.

"Quando abbiamo descritto le collisioni nucleo-nucleo, le strisce di fuoco erano per noi solo strutture astratte, qualcosa di puramente teorico. Non abbiamo approfondito la loro natura fisica, in quello che potrebbero essere in realtà. Abbiamo sperimentato un vero shock combinando i dati sperimentali con il nostro modello, abbiamo scoperto che ciò che si verifica nelle collisioni protone-protone si comporta esattamente come la nostra singola serie di fuoco, " riassume il dottor Rybicki.

I risultati delle ultime analisi, svolto dai fisici di Cracovia nell'ambito della sovvenzione SONATA BIS n. 2014/14 / E / ST2 / 00018 del National Science Center in Polonia, rafforzando così la supposizione che le striature di fuoco, secondo la teoria formata sia nelle collisioni protone-protone che nucleo-nucleo, sono dovuti a processi fisici reali che si verificano nei flussi di materia quantistica estremamente calda.