Fisici che studiano le collisioni di ioni d'oro al Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), una struttura per gli utenti dell'Ufficio della scienza del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti per la ricerca sulla fisica nucleare presso il Brookhaven National Laboratory del DOE, stanno intraprendendo un viaggio attraverso le fasi della materia nucleare, la sostanza che costituisce i nuclei di tutta la materia visibile nel nostro universo. Una nuova analisi delle collisioni condotte a diverse energie mostra segni allettanti di un punto critico:un cambiamento nel modo in cui quark e gluoni, gli elementi costitutivi di protoni e neutroni, trasforma da una fase all'altra. Le scoperte, appena pubblicato dalla STAR Collaboration di RHIC sulla rivista Lettere di revisione fisica , aiuterà i fisici a mappare i dettagli di questi cambiamenti di fase nucleare per comprendere meglio l'evoluzione dell'universo e le condizioni nei nuclei delle stelle di neutroni.

"Se siamo in grado di scoprire questo punto critico, allora la nostra mappa delle fasi nucleari - il diagramma di fase nucleare - potrebbe trovare posto nei libri di testo, accanto a quello dell'acqua, " ha affermato Bedanga Mohanty dell'Istituto nazionale indiano di scienza e ricerca, uno delle centinaia di fisici che collaborano alla ricerca presso RHIC utilizzando il sofisticato rivelatore STAR.

Come ha notato Mohanty, studiare le fasi nucleari è un po' come imparare a conoscere il solido, liquido, e le forme gassose dell'acqua, e mappare come avvengono le transizioni in base a condizioni come temperatura e pressione. Ma con la materia nucleare, non puoi semplicemente mettere una pentola sul fuoco e guardarla bollire. Hai bisogno di potenti acceleratori di particelle come RHIC per alzare la temperatura.

Le più alte energie di collisione di RHIC "fondono" la materia nucleare ordinaria (nuclei atomici fatti di protoni e neutroni) per creare una fase esotica chiamata plasma di quark-gluoni (QGP). Gli scienziati credono che l'intero universo sia esistito come QGP una frazione di secondo dopo il Big Bang, prima che si raffreddasse e i quark si legassero insieme (incollati da gluoni) per formare protoni, neutroni, ed eventualmente, nuclei atomici. Ma le minuscole gocce di QGP create al RHIC misurano solo 10 ^-13 centimetri di diametro (ovvero 0,0000000000001 cm) e durano solo 10 ^-23 secondi! Ciò rende incredibilmente difficile mappare lo scioglimento e il congelamento della materia che costituisce il nostro mondo.

"A rigor di termini se non identifichiamo né il confine di fase né il punto critico, non possiamo davvero inserire questa [fase QGP] nei libri di testo e dire che abbiamo un nuovo stato della materia, " disse Nu Xu, un fisico STAR presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del DOE.

Tracciamento delle transizioni di fase

Per monitorare le transizioni, I fisici STAR hanno sfruttato l'incredibile versatilità del RHIC per far collidere gli ioni d'oro (i nuclei degli atomi d'oro) attraverso un'ampia gamma di energie.

"RHIC è l'unica struttura che può farlo, fornendo fasci da 200 miliardi di elettronvolt (GeV) fino a 3 GeV. Nessuno può sognare una macchina così eccellente, " disse Xu.

I cambiamenti di energia aumentano e diminuiscono la temperatura di collisione e variano anche una quantità nota come densità barionica netta che è in qualche modo analoga alla pressione. Esaminando i dati raccolti durante la prima fase della "scansione dell'energia del raggio" di RHIC dal 2010 al 2017, I fisici STAR hanno tracciato le particelle che fuoriescono ad ogni energia di collisione. Hanno eseguito un'analisi statistica dettagliata del numero netto di protoni prodotti. Un certo numero di teorici aveva previsto che questa quantità avrebbe mostrato grandi fluttuazioni evento per evento man mano che si avvicinava il punto critico.

La ragione delle fluttuazioni attese deriva da una comprensione teorica della forza che governa quark e gluoni. Quella teoria, nota come cromodinamica quantistica, suggerisce che la transizione dalla normale materia nucleare (protoni e neutroni "adroni") a QGP può avvenire in due modi diversi. Ad alte temperature, dove protoni e antiprotoni sono prodotti in coppia e la densità barionica netta è vicina allo zero, i fisici hanno prove di un incrocio regolare tra le fasi. È come se i protoni si sciogliessero gradualmente per formare QGP, come il burro che si scioglie gradualmente su un bancone in una giornata calda. Ma a energie inferiori, si aspettano quella che viene chiamata una transizione di fase del primo ordine, un brusco cambiamento come l'acqua che bolle a una temperatura prestabilita mentre le singole molecole sfuggono alla pentola per diventare vapore. I teorici nucleari prevedono che nella transizione di fase da QGP a materia adronica, la produzione netta di protoni dovrebbe variare notevolmente man mano che le collisioni si avvicinano a questo punto di commutazione.

"Ad alta energia, c'è solo una fase. Il sistema è più o meno invariante, normale, " disse Xu. "Ma quando passiamo da alta energia a bassa energia, aumenti anche la densità barionica netta, e la struttura della materia può cambiare mentre attraversi l'area di transizione di fase.

"È proprio come quando guidi un aereo e entri in una turbolenza, " aggiunse. "Vedi la fluttuazione - boom, boom, boom. Quindi, quando si supera la turbolenza, la fase dei cambiamenti strutturali, si torna alla normalità nella struttura a una fase".

Nei dati di collisione RHIC, i segni di questa turbolenza non sono così evidenti come il cibo e le bevande che rimbalzano sui tavolini di un aereo. I fisici STAR hanno dovuto eseguire la cosiddetta analisi statistica della "funzione di correlazione di ordine superiore" delle distribuzioni delle particelle, cercando qualcosa di più della semplice media e larghezza della curva che rappresenta i dati a cose come quanto sia asimmetrica e distorta quella distribuzione.

Le oscillazioni che vedono in questi ordini superiori, in particolare l'inclinazione (o curtosi), ricordano un altro famoso cambiamento di fase osservato quando l'anidride carbonica liquida trasparente diventa improvvisamente torbida quando viene riscaldata, dicono gli scienziati. Questa "opalescenza critica" deriva da fluttuazioni drammatiche nella densità della CO2, variazioni nella densità delle molecole.

"Nei nostri dati, le oscillazioni significano che sta accadendo qualcosa di interessante, come l'opalescenza, "Ha detto Mohanty.

Eppure, nonostante gli accenni allettanti, gli scienziati STAR riconoscono che la gamma di incertezza nelle loro misurazioni è ancora ampia. Il team spera di restringere tale incertezza per inchiodare la scoperta del punto critico analizzando una seconda serie di misurazioni effettuate da molte più collisioni durante la fase II della scansione dell'energia del raggio di RHIC, dal 2019 al 2021.

L'intera collaborazione STAR è stata coinvolta nell'analisi, Xu note, con un particolare gruppo di fisici, tra cui Xiaofeng Luo (e il suo studente, Yu Zhang), Ashish Pandav, e Toshihiro Nonaka, dalla Cina, India, e Giappone, rispettivamente, incontro settimanale con gli scienziati statunitensi (su molti fusi orari e reti virtuali) per discutere e perfezionare i risultati. Il lavoro è anche una vera collaborazione degli sperimentalisti con i teorici nucleari di tutto il mondo e i fisici degli acceleratori del RHIC. Quest'ultimo gruppo, nel reparto Collider-Accelerator di Brookhaven Lab, ha ideato modi per far funzionare RHIC molto al di sotto della sua energia di progettazione, massimizzando al contempo i tassi di collisione per consentire la raccolta dei dati necessari a basse energie di collisione.

"Stiamo esplorando un territorio inesplorato, " Xu ha detto. "Questo non è mai stato fatto prima. Abbiamo fatto molti sforzi per controllare l'ambiente e apportare correzioni, e stiamo aspettando con impazienza il prossimo ciclo di dati statistici più elevati, " Egli ha detto.