LHC, osservato “smorzamento dei getti”, conferma teorie sulla natura della materia ai primi istanti dell’Universo

Ginevra, 26 novembre 2010. Dopo meno di tre settimane di scontri di ioni pesanti nell’LHC, i laboratori del CERN di Ginevra annunciano che i tre esperimenti che studiano le collisioni di ioni  hanno già portato nuova luce sulla natura della materia come essa apparve nei primissimi istanti della vita dell’Universo. Osservato per la prima volta lo smorzamento dei getti, previsto finora solo teoricamente dalla cromodinamica quantistica e che conferma la natura del fluido quark-gluonico che costituiva l’Universo primordiale.

Il gruppo che segue l’esperimento ALICE, che è ottimizzato per studiare gli ioni pesanti, ha pubblicato due studi pochi giorni dopo l’inizio della collisione. Ora, la prima osservazione diretta di un fenomeno conosciuto come smorzamento del getto (jet quenching) è stata fatta da entrambi gli esperimenti ATLAS e CMS. Lo smorzamento (quenching), un fenomeno già osservato per le particelle leggere, non era mai stato osservato prima nella collisione di ioni pesanti, ma solo previsto dalla teoria della QCD (teoria della cromodinamica quantistica). Questo risultato viene descritto in uno studio accettato il 25 novembre per la pubblicazione nel giornale scientifico Physical Review Letters. Un articolo del gruppo che segue l’esperimento CMS seguirà a breve, e i risultati di entrambi gli esperimenti verranno presentati durante il corso di un seminario il 2 dicembre prossimo al CERN. Intanto, gli ioni pesanti continueranno a collidere nell’acceleratore fino al 6 di dicembre.

“E’ impressionante quanto velocemente gli esperimenti siano arrivati a risultati che hanno a che fare con una fisica molto complessa,” ha detto il direttore di ricerca del CERN. “I diversi gruppi stanno facendo a gara per essere i primi ad essere pubblicati dalle riviste scientifiche, ma poi lavorano assieme per costruire un quadro d’insieme e incrociare i risultati. E’ un bell’esempio di come la competizione e la collaborazione siano fattori chiave in questo campo di ricerca.”

Uno degli obiettivi primari del programma con gli ioni pesanti al CERN è di ricreare la materia come sarebbe dovuta essere durante la nascita dell’Universo, quando non esisteva materia ordinaria con i nuclei atomici come li conosciamo oggi e che costituiscono tutto l’Universo: piuttosto, la materia era tutta concentrata, densa e caldissima, formata da quark che solo dopo si unirono per formare protoni e neutroni, che a loro volta crearono gli elementi unendosi con gli elettroni. Ai primi istanti della vita dell’Universo esisteva solo un plasma formato da quark e gluoni, che si muovevano liberamente. Riprodurre questa forma di materia permetterà di scoprire i fenomeni che avvenivano all’inizio dell’Universo, 15-18 miliardi di anni fa, e la natura della forza nucleare forte che tiene uniti i quark e i gluoni per formare protoni, neutroni e quindi tutti i nuclei atomici che costituiscono la tavola periodica degli elementi.

Quando gli ioni di piombo collidono nell’LHC, essi possono concentrare abbastanza energia in un piccolissimo volume tale da produrre piccole “goccie” di questo primordiale stato fisico della materia, che ci fa sapere della sua presenza grazie ad un grande numero di indizi misurabili dai rilevatori ALICE, CMS e ATLAS.

E infatti l’esperimento ALICE sta osservando un numero di particelle prodotte durante le collisioni mai raggiunto negli esperiemnti precedenti, e conferma come il caldissimo plasma prodotto nell’LHC si comporti come un liquido a bassissima viscosità (un fluido perfetto) in accordo con le precedenti osservazioni di un altro acceleratore, il  RHIC collider del Brookhaven National Laboratory negli USA. Presi insieme, questi risultati hanno confermato alcune teorie su come l’Universo primordiale si comportava.

“Con le collisioni nucleari, l’LHC diventa una fantastica macchina del Big Bang,” ha detto il portavoce di ALICE Jürgen Schukraft. “In un certo senso, la materia quark-gluonica appare familiare, come l’avevamo osservata nell’acceleratore RHIC, ma iniziamo a notare alcuni segni di qualcosa di nuovo”.

Smorzamento e soppressione dei getti

Grazie alla loro enorme sensibilità, gli esperimenti ATLAS e CMS riescono a misurare i getti di particelle che emergono dagli urti tra due fasci di ioni pesanti che si scontrano. I getti sono formati dai costituenti fondamentali della materia nucleare, i quark e gluoni, che schizzano letteralmente via dal punto di collisione. Nelle collisioni di protoni, i getti di solito appaiono in coppia, allontanandosi in direzioni opposte. Tuttavia, nelle collisioni di ioni pesanti i getti interagiscono con il mezzo, in quanto essi avvengono nel bel mezzo di una miriade di altre particelle presenti nel fluido. Le condizioni tumultuose del mezzo, caldo e denso, riescono a rallentare la corsa dei getti, che devono letteralmente attraversarlo. Questo porta ad un segnale molto caratteristico, noto come lo “smorzamento del getto”, in cui l’energia dei getti può essere enormemente rallentata, generando  interazioni con il mezzo così intense da non essere state mai prima osservate. Lo smorzamento del getto è un potente strumento per studiare il comportamento del plasma in dettaglio.

“ATLAS è il primo esperimento che permette l’osservazione diretta del jet quenching (smorzamento del getto)”, ha detto il portavoce di ATLAS Fabiola Gianotti. “Le ottime capacità di ATLAS di determinare le energie dei getti ci ha permesso di osservare un notevole squilibrio nelle energie delle coppie di getti, dove uno dei due fiotti è quasi completamente assorbito dal mezzo”. Infatti può accadere ad esempio che l’urto tra particelle avviene ai bordi del fluido; in questo caso una parte fuoriesce subito dal fluido quark-gluonico e viene registrato dai rivelatori, mentre quello che va verso il centro verrà smorzato quasi del tutto. “E’ un risultato molto stimolante,” aggiunge Gianotti, “di cui il gruppo è orgoglioso, ottenuto in un tempo molto breve, grazie in particolare alla dedizione e all’entusiasmo dei giovani ricercatori”.

“E’ veramente sorprendente essere alla ricerca, sia pure su scala microscopica, delle condizioni e dello stato della materia che esisteva all’alba dei tempi”, ha detto il portavoce di CMS Guido Tonelli. “Già dai primi giorni delle collisioni di ioni di piombo abbiamo iniziato ad osservare lo smorzamento, mentre altre caratteristiche notevoli, come l’osservazione di particelle Z, mai viste prima in collisioni tra ioni pesanti, sono in corso di verifica. La sfida è ora quella di mettere insieme tutti gli studi possibili che ci possono portare ad una migliore comprensione delle proprietà di questo nuovo, straordinario stato della materia”.

Le misurazioni di ATLAS e CMS inaugurano una nuova era nell’uso di questi getti di materia per capire meglio la natura del plasma quark-gluonico. In futuro lo smorzamento dei getti e le altre misure che verranno portate avanti dai tre esperimenti forniranno ai ricercatori importanti dati per comprendere le proprietà del plasma primordiale e le interazioni tra quark e gluoni.

Con i dati che continueranno ad essere registrati per un’altra settimana, e con l’LHC che ha già raggiunto i suoi obiettivi per il 2010, la comunità di scienziati che studia gli scontri tra ioni pesanti sta già iniziando ad analizzare i dati raccolti, che dovranno essere attentamente studiati per permettere di scrivere un modello più completo di come la materia si comportava all’inizio della vita dell’Universo.

VIDEO – Quella sotto è un’animazione che riproduce uno scontro tra ioni pesanti, realizzata dal gruppo dell’esperimento ATLAS: