Il Large Hadron Collider (LHC) del CERN di solito fa scontrare protoni tra loro. Sono queste collisioni protone-protone che hanno portato alla scoperta del bosone di Higgs nel 2012. Ma il più grande acceleratore del mondo è stato progettato anche per frantumare insieme ioni pesanti, principalmente i nuclei degli atomi di piombo, e lo fa ogni anno per circa un mese. E per almeno due buoni motivi. Primo, le collisioni di ioni pesanti all'LHC ricreano in condizioni di laboratorio il plasma di quark e gluoni che si pensa sia esistito poco dopo il Big Bang. Secondo, le collisioni possono essere utilizzate per testare e studiare, alle più alte temperature e densità artificiali, predizioni fondamentali della cromodinamica quantistica, la teoria della forza forte che lega insieme quark e gluoni in protoni e neutroni e in definitiva tutti i nuclei atomici.

LHC non è stata la prima macchina a ricreare la materia del Big Bang:nel 2000, gli esperimenti al Super Proton Synchrotron del CERN hanno trovato prove convincenti del plasma di quark-gluoni. Circa cinque anni dopo, gli esperimenti al Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) al Brookhaven National Laboratory negli Stati Uniti hanno dato il via a un'era di investigazioni dettagliate sul plasma di quark e gluoni. Però, nei 10 anni trascorsi da quando ha ottenuto collisioni a energie più elevate rispetto ai suoi predecessori, l'LHC ha portato gli studi sul plasma di quark e gluoni a nuovi incredibili livelli. Producendo un più caldo, plasma di quark-gluoni più denso e più longevo, nonché un numero e un assortimento più grandi di particelle con cui sondarne le proprietà e gli effetti, l'LHC ha permesso ai fisici di studiare il plasma di quark-gluoni con un livello di dettaglio senza precedenti. Cosa c'è di più, la macchina ha fornito alcuni risultati sorprendenti lungo la strada, stimolando nuovi studi teorici su questo stato della materia.

"Nel libro di testo definitivo sulla teoria dell'interazione forte, il capitolo sul plasma di quark-gluoni sarà riempito con figure di dati di LHC, ", afferma il portavoce dell'esperimento ALICE Luciano Musa.

"Queste cifre eccellono nella precisione dei dati e nella portata cinematica, e sono i primi a informarci su come le proprietà simili al plasma quark-gluone emergano gradualmente quando si passa da collisioni protone-protone a ioni pesanti".

Rotta di collisione pesante

Quando i nuclei pesanti si scontrano l'uno con l'altro nell'LHC, le centinaia di protoni e neutroni che compongono i nuclei rilasciano una grande frazione della loro energia in un volume minuscolo, creando una palla di fuoco di quark e gluoni. Questi minuscoli frammenti di plasma di quark e gluoni esistono solo per momenti fugaci, con i singoli quark e gluoni, noti collettivamente come partoni, formando rapidamente particelle composite e antiparticelle che volano via in tutte le direzioni. Studiando lo zoo delle particelle prodotte nelle collisioni, prima, durante e dopo la creazione del plasma, i ricercatori possono studiare il plasma dal momento in cui viene prodotto al momento in cui si raffredda e lascia il posto a uno stato in cui possono formarsi particelle composite chiamate adroni. Però, il plasma non può essere osservato direttamente. La sua presenza e proprietà sono dedotte dalle firme sperimentali che lascia sulle particelle che si producono nelle collisioni e dal loro confronto con modelli teorici.

Tali studi possono essere suddivisi in due categorie distinte. Il primo tipo di studio indaga le migliaia di particelle che emergono collettivamente da una collisione di ioni pesanti, fornire informazioni sul mondo, proprietà macroscopiche del plasma di quark-gluoni. Il secondo tipo si concentra su vari tipi di particelle con grande massa o quantità di moto, che vengono prodotti più raramente e offrono una finestra sull'interno, funzionamento microscopico del mezzo.

All'LHC, questi studi sono condotti dalle collaborazioni alla base di tutti e quattro i principali esperimenti di LHC:ALICE, ATLANTE, CMS e LHCb. Sebbene ALICE sia stato inizialmente progettato specificamente per studiare il plasma di quark-gluoni, anche gli altri tre esperimenti da allora si sono uniti a questa indagine.

Proprietà globali

LHC ha fornito dati che hanno consentito ai ricercatori di derivare con maggiore precisione rispetto a quanto precedentemente ottenuto diverse proprietà globali del mezzo.

"Se ascoltiamo ad occhi chiusi due strumenti musicali diversi, possiamo distinguere gli strumenti anche quando suonano la stessa nota. Il motivo è che una nota viene fornita con una serie di armonici che conferiscono allo strumento un suono distinto unico. Questo è solo un esempio di quanto siano semplici ma potenti le sfumature nell'identificazione delle proprietà dei materiali. I fisici degli ioni pesanti hanno imparato a utilizzare i "sovratoni" nel loro studio del plasma di quark-gluoni. La fase iniziale di una collisione di ioni pesanti produce increspature nel plasma che viaggiano attraverso il mezzo ed eccitano i toni. Tali sfumature possono essere misurate analizzando il flusso collettivo di particelle che fuoriescono dal plasma e raggiungono i rivelatori. Mentre le misurazioni precedenti avevano rivelato solo le prime indicazioni di questi armonici, gli esperimenti di LHC li hanno mappati in dettaglio. In combinazione con altri passi di precisione, questi dati sono stati utilizzati dai teorici per caratterizzare le proprietà del plasma, come la sua temperatura, densità di energia e resistenza all'attrito, che è più piccolo di quello di qualsiasi altro fluido noto, " spiega Wiedemann.

Questi risultati sono stati poi supportati in più modi. Ad esempio, la collaborazione ALICE ha stimato la temperatura del plasma studiando i fotoni emessi dalla palla di fuoco calda. La temperatura stimata, circa 300 MeV (1 MeV è circa 10 ¹⁰ Kelvin), è al di sopra della temperatura prevista necessaria per la creazione del plasma (circa 160 MeV), ed è circa il 40% superiore a quello ottenuto dal collisore RHIC.

Un altro esempio è la stima della densità di energia del plasma nella fase iniziale delle collisioni. ALICE e CMS hanno ottenuto un valore compreso tra 12 e 14 GeV per femtometro cubo (1 femtometro è 10 ^-15 metri), circa due o tre volte superiore a quello determinato da RHIC, e ancora al di sopra della densità di energia prevista necessaria per la formazione del plasma (circa 1 GeV/fm ³ ).

LHC ha fornito non solo più particelle, ma anche tipi più vari di particelle con cui sondare il plasma di quark-gluoni.

"LHC ci ha dato accesso a una gamma molto ampia di sonde, " dice il coordinatore della fisica di ALICE Andrea Dainese.

"Insieme a rilevatori di particelle all'avanguardia che coprono una maggiore area intorno ai punti di collisione e a metodi sofisticati per identificare e tracciare le particelle, questa ampia tavolozza ha offerto una visione senza precedenti del funzionamento interno e degli effetti del plasma di quark e gluoni".

Per fare alcuni esempi, subito dopo l'inizio dell'LHC, ATLAS e CMS hanno effettuato la prima osservazione diretta del fenomeno del jet quenching, in cui i getti di particelle formati nelle collisioni perdono energia mentre attraversano il mezzo plasma di quark-gluoni. Le collaborazioni hanno riscontrato un notevole squilibrio nelle energie di coppie di jet, con un getto quasi completamente assorbito dal mezzo.

Un altro esempio riguarda i quark pesanti. Tali particelle sono eccellenti sonde del plasma di quark-gluoni perché sono prodotte nelle fasi iniziali di una collisione di ioni pesanti e quindi subiscono l'intera evoluzione del plasma. La collaborazione ALICE ha più recentemente dimostrato che i quark pesanti "sentono" la forma e le dimensioni del plasma di quark-gluoni, indicando che anche i quark più pesanti si muovono con il mezzo, che è composto principalmente da quark leggeri e gluoni.

Gli esperimenti di LHC, in particolare ALICE e CMS, hanno anche notevolmente migliorato la nostra comprensione della "fusione" gerarchica nel plasma degli stati legati di un quark pesante e del suo antiquark, chiamato quarkonia. Quanto più debolmente sono gli stati, più facilmente si scioglieranno, e di conseguenza meno abbondanti saranno. CMS è stato il primo ad osservare questa cosiddetta soppressione gerarchica per gli stati bottomonium, che consistono in un quark bottom e il suo antiquark. E ALICE ha rivelato che, mentre la forma più comune di charmonium afferma, che sono composti da un quark charm e dal suo antiquark, è altamente soppresso per effetto del plasma, viene anche rigenerato dalla ricombinazione di quark charm e antiquark. Questo fenomeno di ricombinazione, osservata per la prima volta all'LHC, fornisce un importante banco di prova per modelli teorici e fenomenologia, che costituisce un collegamento tra i modelli teorici e i dati sperimentali.

Sorprese in sistemi più piccoli

I dati di LHC hanno anche rivelato risultati inaspettati. Per esempio, la collaborazione ALICE ha mostrato che la maggiore produzione di adroni strani (particelle contenenti almeno un quark strano), che è tradizionalmente visto come una firma del plasma di quark-gluoni, sorge gradualmente nelle collisioni protone-protone e protone-piombo come il numero di particelle prodotte nelle collisioni, o "molteplicità", aumenta.

Un altro esempio calzante è l'insorgenza graduale di una caratteristica simile a un flusso con la forma di una cresta con una molteplicità crescente, che è stato osservato per la prima volta da CMS nelle collisioni protone-protone e protone-piombo. Questo risultato è stato ulteriormente supportato dalle osservazioni di ALICE e ATLAS sull'emergere di caratteristiche a doppia cresta nelle collisioni protone-piombo.

"La scoperta di un comportamento simile agli ioni pesanti nelle collisioni protone-protone e protone-nucleo all'LHC è un punto di svolta, "dice Wiedemann.

"I dati di LHC hanno annullato la visione di vecchia data secondo cui le collisioni protone-protone producono insiemi di particelle a flusso libero mentre le collisioni di ioni pesanti producono un plasma di quark-gluoni completamente sviluppato. E ci dicono che nei piccoli sistemi di collisione protone-protone ci sono più meccanismi fisici al lavoro di quanto si pensasse tradizionalmente.La nuova sfida è capire, all'interno della teoria della forza forte, come le proprietà simili al plasma quark-gluone emergono gradualmente con la dimensione del sistema di collisione."

Questi sono solo esempi di come 10 anni di LHC abbiano notevolmente avanzato la conoscenza dei fisici del plasma di quark-gluoni e quindi dell'universo primordiale. E con i dati della seconda corsa della macchina ancora in fase di analisi e altri dati in arrivo dalla prossima corsa e dall'LHC ad alta luminosità, il successore di LHC, una comprensione ancora più dettagliata di questo stato unico della materia è destinata ad emergere, magari con nuove sorprese nel mix.

"Il prossimo decennio all'LHC offre molte opportunità per ulteriori esplorazioni del plasma di quark-gluoni, " dice Musa. "Il previsto aumento di dieci volte del numero di collisioni piombo-piombo dovrebbe aumentare la precisione delle misurazioni delle sonde note del mezzo e darci accesso a nuove sonde. Inoltre, abbiamo in programma di esplorare le collisioni tra nuclei più leggeri, che potrebbe gettare ulteriore luce sulla natura del mezzo."