Che cosa ha in comune il plasma di quark e gluoni, il brodo caldo di particelle elementari formato pochi microsecondi dopo il Big Bang, con l'acqua del rubinetto? Gli scienziati dicono che è il modo in cui scorre.

Un nuovo studio, pubblicato oggi sulla rivista Fisica SciPost , ha evidenziato le sorprendenti somiglianze tra plasma di quark-gluoni, la prima materia che si pensava avesse riempito l'Universo primordiale, e l'acqua che esce dal nostro rubinetto.

Il rapporto tra la viscosità di un fluido, la misura di quanto è liquido, e la sua densità, decide come scorre. Mentre sia la viscosità che la densità del plasma di quark e gluoni sono di circa 16 ordini di grandezza maggiori rispetto all'acqua, i ricercatori hanno scoperto che il rapporto tra la viscosità e la densità dei due tipi di fluidi è lo stesso. Ciò suggerisce che uno degli stati più esotici della materia conosciuti nel nostro universo fuoriuscirebbe dal tuo rubinetto più o meno allo stesso modo dell'acqua.

La materia che compone il nostro Universo è fatta di atomi, costituiti da nuclei con elettroni orbitanti. I nuclei sono costituiti da protoni e neutroni noti collettivamente come nucleoni e questi a loro volta sono costituiti da quark che interagiscono tramite gluoni. A temperature molto elevate, circa un milione di volte più calde del centro del Sole, quark e gluoni si liberano dai loro nucleoni genitori e formano invece un denso, zuppa calda nota come plasma di quark e gluoni.

Si pensa che poco dopo il Big Bang l'universo primordiale fosse pieno di plasma di gluoni di quark incredibilmente caldo. Questo si è poi raffreddato microsecondi dopo per formare i mattoni di tutta la materia trovata all'interno del nostro universo. Dall'inizio degli anni 2000 gli scienziati sono stati in grado di ricreare sperimentalmente il plasma di quark e gluoni utilizzando collisori di particelle di grandi dimensioni, che ha fornito nuove intuizioni su questo stato esotico della materia.

Si pensa che la materia ordinaria che incontriamo quotidianamente abbia proprietà molto diverse dal plasma di quark e gluoni che si trovava agli albori dell'Universo. Per esempio, i fluidi come l'acqua sono governati dal comportamento di atomi e molecole che sono molto più grandi delle particelle che si trovano nel plasma di quark e gluoni, e sono tenuti insieme da forze più deboli.

Però, il recente studio mostra che nonostante queste differenze il rapporto tra viscosità e densità, nota come viscosità cinematica, è vicino sia nel plasma di quark-gluoni che nei liquidi ordinari. Questo rapporto è importante perché il flusso del fluido non dipende solo dalla viscosità ma è governato dall'equazione di Navier-Stokes che contiene densità e viscosità. Perciò, se questo rapporto è lo stesso per due fluidi diversi questi due fluidi scorreranno allo stesso modo anche se hanno viscosità e densità molto diverse.

È importante sottolineare che non è una viscosità qualsiasi del liquido che coincide con la viscosità del plasma di quark e gluoni. Infatti, la viscosità del liquido può variare di molti ordini di grandezza a seconda della temperatura. Però, c'è un punto molto particolare in cui la viscosità del liquido ha un limite inferiore quasi universale. Ricerche precedenti hanno scoperto che in quel limite, la viscosità del fluido è governata da costanti fisiche fondamentali come la costante di Planck e la massa del nucleone. Sono queste costanti della natura che alla fine decidono se un protone è una particella stabile, e governare processi come la sintesi nucleare nelle stelle e la creazione di elementi biochimici essenziali necessari per la vita. Il recente studio ha scoperto che è questo limite inferiore universale di viscosità dei fluidi ordinari come l'acqua che risulta essere vicino alla viscosità del plasma di quark e gluoni.

Professore Kostya Trachenko, Professore di Fisica presso la Queen Mary University di Londra e autore del recente articolo, ha dichiarato:"Non comprendiamo ancora appieno l'origine di questa sorprendente somiglianza, ma pensiamo che potrebbe essere correlata alle costanti fisiche fondamentali che stabiliscono sia il limite inferiore universale di viscosità sia per i liquidi ordinari che per il plasma di quark-gluoni".

"Questo studio fornisce un esempio abbastanza raro e delizioso di dove possiamo fare confronti quantitativi tra sistemi estremamente disparati, " continua il professor Matteo Baggioli dell'Universidad Autónoma de Madrid. "I liquidi sono descritti dall'idrodinamica, il che ci lascia con molti problemi aperti che sono attualmente in prima linea nella ricerca in fisica. Il nostro risultato mostra il potere della fisica di tradurre i principi generali in previsioni specifiche su proprietà complesse come il flusso di liquidi in tipi esotici di materia come il plasma di quark e gluoni".

La comprensione del plasma di quark-gluoni e del suo flusso è attualmente in prima linea nella fisica delle alte energie. Forti forze tra quark e gluoni sono descritte dalla cromodinamica quantistica, una delle teorie fisiche più complete che esistano. Tuttavia, mentre la cromodinamica quantistica fornisce una teoria della forza nucleare forte, è molto difficile risolvere e comprendere le proprietà del plasma di quark e gluoni usando solo questo.

"È concepibile che il risultato attuale possa fornirci una migliore comprensione del plasma di quark-gluoni, " ha aggiunto il professor Vadim Brazhkin dell'Accademia russa delle scienze. "Il motivo è che la viscosità nei liquidi al minimo corrisponde a un regime molto particolare della dinamica dei liquidi che abbiamo compreso solo di recente. La somiglianza con il QGP suggerisce che le particelle in questo sistema esotico si muovano allo stesso modo dell'acqua del rubinetto".