Stelle di neutroni nell'universo, gas atomici ultrafreddi in laboratorio e plasma di quark e gluoni creato nelle collisioni di nuclei atomici al Large Hadron Collider (LHC):possono sembrare del tutto estranei ma, sorprendentemente, hanno qualcosa in comune. Sono tutti uno stato della materia simile a un fluido costituito da particelle fortemente interagenti. Approfondire le proprietà e il comportamento di ognuno di questi liquidi quasi perfetti può essere fondamentale per comprendere la natura su scale di ordini di grandezza diverse.
In un nuovo articolo, la collaborazione CMS riporta la misurazione più precisa fino ad oggi della velocità con cui il suono viaggia nel plasma di quark e gluoni, offrendo nuove informazioni su questo stato estremamente caldo della materia.
Il suono è un'onda longitudinale che viaggia attraverso un mezzo, producendo compressioni e rarefazioni della materia nella stessa direzione del suo movimento. La velocità del suono dipende dalle proprietà del mezzo, come la sua densità e viscosità. Può quindi essere utilizzato come sonda del mezzo.
All’LHC, il plasma di quark e gluoni si forma in collisioni tra ioni pesanti. In questi urti, per una piccolissima frazione di secondo, un'enorme quantità di energia si deposita in un volume la cui dimensione massima è quella del nucleo di un atomo. Quark e gluoni che emergono dalla collisione si muovono liberamente all'interno di quest'area, fornendo uno stato della materia simile a un fluido le cui dinamiche collettive e proprietà macroscopiche sono ben descritte dalla teoria.
La velocità del suono in questo ambiente può essere ottenuta dalla velocità con cui la pressione cambia in risposta alle variazioni di densità di energia o, in alternativa, dalla velocità con cui cambia la temperatura in risposta alle variazioni di entropia, che è una misura del disordine in un ambiente sistema.
Nelle collisioni di ioni pesanti, l'entropia può essere dedotta dal numero di particelle caricate elettricamente emesse dalle collisioni. La temperatura, invece, può essere dedotta dalla quantità di moto trasversale media (cioè la quantità di moto trasversale all'asse di collisione) di tali particelle.
Utilizzando dati provenienti da collisioni piombo-piombo ad un’energia di 5,02 trilioni di elettronvolt per coppia di nucleoni (protoni o neutroni), la collaborazione CMS ha misurato per la prima volta come la temperatura varia con l’entropia nelle collisioni centrali di ioni pesanti, in cui la gli ioni si scontrano frontalmente e si sovrappongono quasi completamente.
Da questa misurazione hanno ottenuto un valore della velocità del suono in questo mezzo che è quasi la metà della velocità della luce e ha una precisione record:in unità della velocità della luce, la velocità del suono al quadrato è 0,241, con un'incertezza statistica di 0,002 e un'incertezza sistematica di 0,016. Utilizzando il momento trasverso medio, hanno anche determinato che la temperatura effettiva del plasma di quark e gluoni è pari a 219 milioni di elettronvolt (MeV), con un'incertezza sistematica di 8 MeV.
I risultati corrispondono alle aspettative teoriche e confermano che il plasma di quark e gluoni agisce come un fluido fatto di particelle che trasportano enormi quantità di energia.
L'articolo è pubblicato su arXiv server di prestampa.
Ulteriori informazioni: Estrazione della velocità del suono nella materia fortemente interagente creata nelle collisioni ultrarelativistiche piombo-piombo all'LHC, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2401.06896
Informazioni sul giornale: arXiv
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