Gli scienziati hanno riportato nuovi indizi per risolvere un enigma cosmico:come il plasma di quark e gluoni, il fluido perfetto della natura, si è evoluto in materia.

Pochi milionesimi di secondo dopo il Big Bang, l'universo primordiale assunse uno strano nuovo stato:una zuppa subatomica chiamata plasma di quark e gluoni.

E solo 15 anni fa, un team internazionale che comprende ricercatori del gruppo Relativistic Nuclear Collisions (RNC) del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ha scoperto che questo plasma di quark e gluoni è un fluido perfetto, in cui quark e gluoni, gli elementi costitutivi di protoni e neutroni, sono così fortemente accoppiati che scorrono quasi senza attrito.

Gli scienziati hanno ipotizzato che getti di particelle altamente energetici volano attraverso il plasma di quark e gluoni, una gocciolina delle dimensioni del nucleo di un atomo, a velocità superiori a quella del suono, e che come un jet che vola veloce, emettono un boom supersonico chiamato onda di Mach. Per studiare le proprietà di queste particelle jet, nel 2014 un team guidato dagli scienziati del Berkeley Lab ha aperto la strada a una tecnica di imaging a raggi X atomica chiamata tomografia a getto. I risultati di quegli studi seminali hanno rivelato che questi getti si disperdono e perdono energia mentre si propagano attraverso il plasma di quark e gluoni.

Ma dove è iniziato il viaggio delle particelle del getto all'interno del plasma di quark e gluoni? Un segnale d'onda di Mach più piccolo chiamato scia di diffusione, gli scienziati avevano previsto, ti direbbe dove guardare. Ma mentre la perdita di energia era facile da osservare, l'onda di Mach e la scia di diffusione che l'accompagna rimanevano inafferrabili.

Ora, in uno studio pubblicato di recente sulla rivista Lettere di revisione fisica , gli scienziati del Berkeley Lab riportano nuovi risultati da simulazioni di modelli che mostrano che un'altra tecnica che hanno inventato chiamata tomografia a getto 2D può aiutare i ricercatori a localizzare il segnale spettrale della scia di diffusione.

"Il suo segnale è così piccolo, è come cercare un ago in un pagliaio da 10, 000 particelle. Per la prima volta, le nostre simulazioni mostrano che è possibile utilizzare la tomografia a getto 2D per raccogliere i piccoli segnali della scia di diffusione nel plasma di quark e gluoni, " ha affermato il leader dello studio Xin-Nian Wang, uno scienziato senior della divisione di scienze nucleari del Berkeley Lab che faceva parte del team internazionale che ha inventato la tecnica di tomografia a getto 2D.

Per trovare quell'ago supersonico nel pagliaio di quark e gluoni, il team del Berkeley Lab ha selezionato centinaia di migliaia di eventi di collisione tra nuclei di piombo simulati al Large Hadron Collider (LHC) del CERN, e gli eventi di collisione di nuclei d'oro al Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) al Brookhaven National Laboratory. Alcune delle simulazioni al computer per lo studio in corso sono state eseguite presso la struttura per gli utenti del supercomputer NERSC del Berkeley Lab.

Wang afferma che il loro approccio unico "ti aiuterà a sbarazzarti di tutto questo fieno nella tua pila, ti aiuterà a concentrarti su questo ago". Il segnale supersonico delle particelle del getto ha una forma unica che sembra un cono, con una scia di diffusione che si trascina dietro, come increspature d'acqua sulla scia di una barca in rapido movimento. Gli scienziati hanno cercato prove di questo "wakelet" supersonico perché ti dice che c'è un esaurimento delle particelle. Una volta che la scia di diffusione si trova nel plasma di quark-gluoni, puoi distinguere il suo segnale dalle altre particelle sullo sfondo.

Il loro lavoro aiuterà anche gli sperimentatori dell'LHC e del RHIC a capire quali segnali cercare nella loro ricerca per capire come il plasma di quark e gluoni, il fluido perfetto della natura, si è evoluto in materia. "Di cosa siamo fatti? Com'era l'universo infantile nei pochi microsecondi dopo il Big Bang? Questo è ancora un lavoro in corso, ma le nostre simulazioni della scia di diffusione a lungo cercata ci avvicinano alla risposta a queste domande, " Egli ha detto.