Le collisioni semicentrali o centrali dei nuclei di piombo nell'LHC producono plasma di quark e gluoni e un cocktail con contributi di altre particelle. Contemporaneamente, le nuvole di fotoni che circondano i nuclei si scontrano, con conseguente creazione di coppie leptone-antileptone all'interno del plasma e del cocktail, e nello spazio intorno ai nuclei. Credito:IFJ PAN
Quando gli ioni pesanti, accelerato alla velocità della luce, collidono tra loro nelle profondità degli acceleratori europei o americani, il plasma di quark-gluoni si forma per frazioni di secondo, o anche il suo 'cocktail' condito con altre particelle. Secondo gli scienziati dell'IFJ PAN, i dati sperimentali mostrano che ci sono attori sottovalutati sulla scena:i fotoni. Le loro collisioni portano all'emissione di particelle apparentemente in eccesso, la cui presenza non poteva essere spiegata.
Il plasma di quark-gluoni è senza dubbio lo stato più esotico della materia finora conosciuto. Nell'LHC del CERN vicino a Ginevra, si forma durante le collisioni centrali di due ioni di piombo che si avvicinano l'uno all'altro da direzioni opposte, viaggiando a velocità molto vicine a quella della luce. Questa zuppa di quark e gluoni è talvolta condita anche con altre particelle. Sfortunatamente, la descrizione teorica del corso degli eventi che coinvolgono il plasma e un cocktail di altre fonti non riesce a descrivere i dati raccolti negli esperimenti. In un articolo pubblicato su Lettere di fisica B , un gruppo di scienziati dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze di Cracovia ha spiegato il motivo delle discrepanze osservate. Dati raccolti durante le collisioni di nuclei di piombo nell'LHC, così come durante le collisioni di nuclei d'oro nel RHIC al Brookhaven National Laboratory vicino a New York, Cominciamo a concordare con la teoria quando la descrizione dei processi tiene conto delle collisioni tra fotoni che circondano entrambi gli ioni interagenti.
"Con un pizzico di sale, si potrebbe dire che con energie sufficientemente alte, ioni massicci collidono non solo con i loro protoni e neutroni, ma anche con le loro nuvole di fotoni, " afferma la dott.ssa Mariola Klusek-Gawenda (IFJ PAN) e chiarisce subito:"Nel descrivere la collisione di ioni nell'LHC abbiamo già preso in considerazione le collisioni tra fotoni. Però, riguardavano solo collisioni ultraperiferiche, in cui gli ioni non si colpiscono tra loro, ma passano l'un l'altro immutato, interagiscono solo con i propri campi elettromagnetici. Nessuno pensava che le collisioni di fotoni potessero svolgere un ruolo nelle interazioni violente in cui protoni e neutroni si fondono in una zuppa di quark e gluoni".
In condizioni note dalla vita quotidiana, i fotoni non entrano in collisione tra loro. Però, quando abbiamo a che fare con ioni massicci accelerati quasi alla velocità della luce, la situazione cambia. Il nucleo d'oro contiene 79 protoni, il nucleo di piombo ben 82, quindi la carica elettrica di ogni ione è corrispondentemente molte volte maggiore della carica elementare. I portatori delle interazioni elettromagnetiche sono i fotoni, quindi ogni ione può essere trattato come un oggetto circondato da una nuvola di molti fotoni. Inoltre, nel RHIC e LHC, gli ioni si muovono a velocità prossime a quella della luce. Di conseguenza, dal punto di vista dell'osservatore in laboratorio, sia loro che le nuvole di fotoni che li circondano sembrano essere macchie estremamente sottili, appiattito nella direzione del movimento. Ad ogni passaggio di un simile pancake protone-neutrone, c'è un'oscillazione estremamente violenta dei campi elettrico e magnetico.
Nell'elettrodinamica quantistica, la teoria usata per descrivere l'elettromagnetismo in relazione ai fenomeni quantistici, esiste un valore critico massimo del campo elettrico, dell'ordine di dieci o sedici volt per centimetro. Si applica ai campi elettrici statici. Nel caso di collisioni di nuclei atomici massicci nel RHIC o LHC, si tratta di campi dinamici che compaiono solo per milionesimi di miliardesimo di miliardesimo di secondo. Per un tempo così breve, i campi elettrici nelle collisioni di ioni possono essere anche 100 volte più forti del valore critico.
"Infatti, i campi elettrici degli ioni che collidono nell'LHC o RHIC sono così potenti che generano fotoni virtuali e si verificano le loro collisioni. In conseguenza di questi processi, le coppie leptone-antileptone si formano in vari punti intorno agli ioni dove prima non c'era nulla di materiale. Le particelle di ciascuna coppia si allontanano l'una dall'altra in modo caratteristico:tipicamente in direzioni opposte e quasi perpendicolari alla direzione originaria del movimento degli ioni, " spiega il Dr. Wolfgang Schäfer (IFJ PAN) e sottolinea che la famiglia dei leptoni comprende gli elettroni e le loro controparti più massicce:muoni e tauoni.
Le interazioni tra fotoni e la produzione di coppie leptone-antileptone ad esse associate sono cruciali nelle collisioni periferiche. Collisioni come queste sono state descritte dai fisici di Cracovia alcuni anni fa. Con loro sorpresa, sono ora riusciti a dimostrare che gli stessi fenomeni giocano un ruolo significativo anche nelle collisioni dirette di nuclei, anche centrali. I dati raccolti per i nuclei d'oro nel RHIC e per i nuclei di piombo nell'LHC mostrano che durante tali collisioni appare un certo numero "in eccesso" di coppie elettrone-positrone, che divergono relativamente lentamente in direzioni quasi perpendicolari ai fasci di ioni. È stato possibile spiegare la loro esistenza proprio tenendo conto della produzione di coppie leptone-antileptone per collisione di fotoni.
"La vera ciliegina sulla torta per noi è stato il fatto che, integrando gli strumenti esistenti per la descrizione delle collisioni di ioni massicce con il nostro formalismo costruito sulla cosiddetta funzione di distribuzione di Wigner, potremmo finalmente spiegare perché i rivelatori dei più grandi esperimenti di accelerazione contemporanei registrano questo tipo di distribuzioni di leptoni e antileptoni in fuga dal luogo delle collisioni nucleari (per una determinata centralità della collisione). La nostra comprensione dei processi più importanti che si svolgono qui è diventata più completa, " conclude il Prof. Antoni Szczurek (IFJ PAN).
Il lavoro sul modello di Cracovia delle collisioni fotone-fotone è stato finanziato dal Centro nazionale di scienza polacco. Il modello ha suscitato l'interesse dei fisici che lavorano con i rivelatori ATLAS e ALICE dell'LHC e sarà utilizzato nelle prossime analisi dei dati sperimentali.
