I fisici dell'Università Eötvös Loránd (ELTE) hanno condotto ricerche sulla materia che costituisce il nucleo atomico utilizzando i tre acceleratori di particelle più potenti del mondo. Il loro obiettivo è stato quello di mappare il "brodo primordiale" che riempì l'universo nel primo milionesimo di secondo successivo alla sua nascita.
Curiosamente, le loro misurazioni hanno mostrato che il movimento delle particelle osservate ha somiglianze con la ricerca di prede da parte dei predatori marini, con i modelli del cambiamento climatico e con le fluttuazioni del mercato azionario.
Nel periodo immediatamente successivo al Big Bang, le temperature erano così estreme che i nuclei atomici non potevano esistere, né potevano esistere i nucleoni, i loro elementi costitutivi. Quindi, in questo primo caso l'universo era pieno di una "zuppa primordiale" di quark e gluoni.
Quando l'universo si raffreddò, questo mezzo subì un "congelamento", che portò alla formazione di particelle che conosciamo oggi, come protoni e neutroni. Questo fenomeno viene replicato su scala molto più piccola negli esperimenti con l’acceleratore di particelle, dove le collisioni tra due nuclei creano minuscole goccioline di materia quark. Queste goccioline alla fine passano alla materia ordinaria attraverso il congelamento, una trasformazione nota ai ricercatori che conducono questi esperimenti.
Tuttavia, le proprietà della materia dei quark variano a causa delle differenze di pressione e temperatura che risultano dall’energia di collisione negli acceleratori di particelle. Questa variazione richiede misurazioni per "scansionare" la materia negli acceleratori di particelle di diverse energie, il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) negli Stati Uniti, o il Super Proton Synchrotron (SPS) e il Large Hadron Collider (LHC) in Svizzera.
"Questo aspetto è così cruciale che nuovi acceleratori vengono costruiti in tutto il mondo, ad esempio in Germania o in Giappone, appositamente per tali esperimenti. Forse la domanda più significativa è come avviene la transizione tra le fasi:un punto critico può emergere sulla fase mappa", spiega Máté Csanád, professore di fisica presso il Dipartimento di Fisica Atomica dell'Università Eötvös Loránd (ELTE).
L’obiettivo a lungo termine della ricerca è approfondire la nostra comprensione dell’interazione forte che governa le interazioni nella materia dei quark e nei nuclei atomici. Il nostro attuale livello di conoscenza in quest'area può essere paragonato alla comprensione dell'elettricità da parte dell'umanità durante le epoche di Volta, Maxwell o Faraday.
Sebbene avessero una nozione delle equazioni fondamentali, è stato necessario un notevole lavoro sperimentale e teorico per sviluppare tecnologie che hanno trasformato profondamente la vita di tutti i giorni, dalla lampadina alla televisione, ai telefoni, ai computer e a Internet. Allo stesso modo, la nostra comprensione dell'interazione forte è ancora embrionale, per cui la ricerca per esplorarla e mapparla è di vitale importanza.
I ricercatori dell'ELTE sono stati coinvolti in esperimenti presso ciascuno degli acceleratori sopra menzionati e il loro lavoro negli ultimi anni ha portato a un quadro completo della geometria della materia dei quark. Hanno raggiunto questo obiettivo attraverso l’applicazione delle tecniche di femtoscopia. Questa tecnica utilizza le correlazioni che derivano dalla natura ondulatoria non classica, di tipo quantistico, delle particelle prodotte, che alla fine rivela la struttura su scala femtometrica del mezzo, la fonte di emissione delle particelle.
"Nei decenni precedenti, la femtoscopia si basava sul presupposto che la materia dei quark seguisse una distribuzione normale, cioè la forma gaussiana che si trova in tanti luoghi della natura", spiega Márton Nagy, uno dei ricercatori principali del gruppo. Tuttavia, i ricercatori ungheresi si sono rivolti al processo di Lévy, che è familiare anche in varie discipline scientifiche, come quadro più generale, e che è una buona descrizione della ricerca di prede da parte dei predatori marini, dei processi del mercato azionario e persino del cambiamento climatico.
Una caratteristica distintiva di questi processi è che in certi momenti subiscono cambiamenti molto grandi (ad esempio, quando uno squalo cerca cibo in una nuova area), e in tali casi può verificarsi una distribuzione di Lévy piuttosto che una distribuzione normale (gaussiana).
Questa ricerca riveste un’importanza significativa per diversi motivi. Principalmente, una delle caratteristiche più studiate del congelamento della materia dei quark, la sua trasformazione in materia convenzionale (adronica), è il raggio femtoscopico (chiamato anche raggio HBT, notando la sua relazione con il noto effetto Hanbury Brown e Twiss in astronomia), che deriva da misurazioni femtoscopiche. Tuttavia, questa scala dipende dalla geometria presunta del mezzo.
Come riassume Dániel Kincses, un ricercatore post-dottorato del gruppo, "Se l'ipotesi gaussiana non è ottimale, allora i risultati più accurati di questi studi possono essere ottenuti solo sotto l'ipotesi di Lévy. Il valore dell'"esponente di Lévy", che caratterizza la distribuzione di Lévy, può anche far luce sulla natura della transizione di fase. Pertanto, la sua variazione con l'energia di collisione fornisce preziose informazioni sulle diverse fasi della materia dei quark."
I ricercatori dell'ELTE stanno partecipando attivamente a quattro esperimenti:NA61/SHINE presso l'acceleratore SPS, PHENIX e STAR presso RHIC e CMS presso LHC. Il gruppo NA61/SHINE dell'ELTE è guidato da Yoshikazu Nagai, il gruppo CMS da Gabriella Pásztor; e i gruppi RHIC di Máté Csanád, che coordina anche la ricerca sulla femtoscopia dell'ELTE.
I gruppi stanno apportando contributi sostanziali al successo degli esperimenti in vari ambiti, dallo sviluppo di rilevatori all'acquisizione e all'analisi dei dati. Sono anche impegnati in numerosi progetti e ricerche teoriche. "La particolarità della nostra ricerca sulla femtoscopia è che viene condotta in quattro esperimenti in tre acceleratori di particelle, dandoci un'ampia visione della geometria e delle possibili fasi della materia dei quark", afferma Máté Csanád.
Il team ha presentato le ultime scoperte al Workshop on Particle Correlations and Femtoscopy, tenutosi dal 6 al 10 novembre 2023. Nell'ambito di collaborazioni su larga scala, hanno anche pubblicato ricerche correlate su The European Physical Journal C , Lettere di fisica B e Universo .
Ulteriori informazioni: Márton Nagy et al, Un nuovo metodo per calcolare le funzioni di correlazione di Bose-Einstein con l'interazione dello stato finale di Coulomb, The European Physical Journal C (2023). DOI:10.1140/epjc/s10052-023-12161-y
Balázs Kórodi et al, Investigazione evento per evento della funzione sorgente a due particelle in collisioni sNN=2.76 TeV PbPb con EPOS, Lettere fisiche B (2023). DOI:10.1016/j.physletb.2023.138295
Bálint Kurgyis et al, Correzioni di Coulomb per le correlazioni di Bose-Einstein da funzioni sorgente di tipo Lévy unidimensionali e tridimensionali, Universo (2023). DOI:10.3390/universo9070328
Barnabás Pórfy, Misurazione della correlazione femtoscopica con sorgente simmetrica di tipo Lévy presso NA61/SHINE, Universo (2023). DOI:10.3390/universo9070298
Ayon Mukherjee, Femtoscopia Kaon con sorgenti Lévy-stabili da sNN=200 GeV Collisioni Au+Au al RHIC, Universo (2023). DOI:10.3390/universo9070300
László Kovács, Femtoscopia caricata di Kaon con sorgenti Lévy in sNN =200 GeV Collisioni Au+Au a PHENIX, Universo (2023). DOI:10.3390/universo9070336
Informazioni sul giornale: Lettere di fisica B
Fornito dall'Università Eötvös Loránd
