Esperimenti all’Lhc di Ginevra raggiungono le condizioni dell’Universo primordiale

Esperimento ALICE al CERN di Ginevra – fonte CERN

Gli esperimenti con ioni pesanti al Cern di Ginevra effettuati utilizzando il più grande acceleratore di particelle Large Hadron Collider (LHC) stanno permettendo di dare “un’occhiata” all’universo primordiale come mai finora. I tre esperimenti che si basano sugli eventi di scontro tra ioni pesanti, ALICE, ATLAS e CMS, hanno infatti permesso di osservare un nuovo tipo di materia che probabilmente esisteva nei primi istanti dell’Universo. I risultati verranno presentati alla conferenza Quark Matter 2012, che inizia oggi a Washington. Le nuove scoperte si basano principalmente sui dati raccolti in quattro settimane in cui l’LHC ha fatto scontrare ioni di piombo nel 2011, permettendo di raccogliere dati 20 volte superiori al 2010.

Subito dopo il Big Bang, quark e gluoni – mattoni fondamentali della materia – non erano confinati all’interno di particelle come protoni e neutroni come lo sono oggi, ma si muovevano liberamente in uno stato della materia noto come ‘plasma di quark e gluoni’.

Le collisioni di ioni di piombo nell’acceleratore di particelle LHC ha permesso di ricreare per pochi istanti condizioni simili a quelle del primo Universo. Esaminando un miliardo circa di queste collisioni, gli esperimenti sono stati in grado di effettuare misurazioni più precise delle proprietà della materia in queste condizioni estreme.

“Il campo degli ioni pesanti nella fisica è fondamentale per sondare le proprietà della materia nell’universo primordiale, che è una delle questioni fondamentali della fisica che l’LHC e i suoi esperimenti sono destinati ad affrontare. E illustra come, oltre alla recente scoperta del bosone di Higgs, i fisici dell’LHC stanno studiando molti altri fenomeni importanti nelle collisioni protone-protone e piombo-piombo”, ha detto direttore generale del CERN Rolf Heuer.

Alla conferenza, le collaborazioni ALICE, ATLAS e CMS presenteranno una descrizione più precisa della materia più densa e più calda mai studiata in laboratorio – 100.000 volte più calda dell’interno del Sole e più densa di una stella di neutroni.

ALICE presenterà una grande quantità di nuovi risultati su tutti gli aspetti dell’evoluzione sia nello spazio che nel tempo di materia ad alta densità  fortemente interagente. Le ricerche in corso hanno a che fare con le particelle “charm”, che contengono un quark charm o anti-charm. I quark charm, 100 volte più pesanti rispetto ai quark up e down che compongono la materia normale, vengono notevolmente rallentati dal loro passaggio attraverso il plasma di quark e gluoni, e questo offre gli scienziati uno strumento unico per sondare le loro proprietà. L’esperimento ha anche osservato alcuni indizi di un fenomeno che prevede la ricombinazione dei quark charm e anti-charm a formare il “charmonium”.

“Questo è solo un esempio delle opportunità scientifiche a portata di mano dell’esperimento ALICE”, ha detto Paolo Giubellino, portavoce della collaborazione ALICE. “Con molti più dati ancora in fase di analisi e ulteriori dati in arrivo il prossimo febbraio, siamo più vicini che mai a svelare le proprietà dello stato primordiale dell’Universo, ossia il plasma di quark e gluoni”.

Nel 1980, la dissociazione iniziale del charmonium è stata proposta come la prova diretta della formazione di plasma di quark e gluoni, e le prime indicazioni sperimentali di questa dissociazione sono state segnalate dagli esperimenti del 2000 nell’acceleratore di particelle del CERN che ha preceduto l’LHC, il Super Proton Synchrotron. L’energia molto più elevata di LHC rende possibile per la prima volta studiare simili stati strettamente associati a dei quark charm pesanti. L’ipotesi era che, a seconda della loro energia di legame, alcuni di questi stati si “fondono” nel plasma prodotto, mentre altri sopravvivono alle temperature estreme. E un altro esperimento presso l’LHC, il CMS, osserva ormai chiari segni di soppressione dello stato “quarkonium” (quark e antiquark).

“CMS presenterà importanti novità sugli ioni pesanti, non solo sulla soppressione quarkonium, ma anche sulle proprietà della massa del mezzo e su una varietà di studi di jet quenching”, ha detto Giuseppe Incandela, il portavoce di CMS. “Stiamo entrando in un’era nuova ed emozionante della ricerca.”

Il jet quenching è il fenomeno in cui “getti” di particelle altamente energetiche rompono il denso plasma di quark e gluoni, dando agli scienziati informazioni dettagliate sulla densità e le proprietà della materia prodotta. ATLAS riporterà nuove scoperte sul jet quenching e sulle correlazioni tra questi getti e i bosoni elettrodeboli.

“Siamo entrati in una nuova fase in cui non solo osserviamo il fenomeno del plasma di quark e gluoni, ma dove possiamo anche fare misurazioni ad alta precisione utilizzando una varietà di sonde”, ha detto Fabiola Gianotti, il portavoce ATLAS. “Gli studi contribuiranno in modo significativo alla nostra comprensione dell’Universo primordiale.”