Particelle

Big Bang fluido

In settembre LHC ha iniziato a far collidere fasci non più formati dallo stesso tipo di particelle ma questa volta ha fatto collidere un fascio di protoni con un fascio di ioni.

Gli ioni utilizzati vengono ottenuti strappando letteralmente da degli atomi di piombo tutti gli elettroni lasciando quindi il solo nucleo (ione positivo). Nel caso del piombo ci troviamo con un nucleo costituito da 82 protoni e 126 neutroni tenuti insieme dalla forza nucleare forte. Va precisato che i protoni sono formati a loro volta da tre quarks tenuti insieme dalle particelle che trasportano la forza nucleare forte detti gluoni. Quando due ioni pesanti collidono a velocità vicine a quelle della luce siamo in presenza della collisione più energetica conosciuta e ci troviamo anche ad osservare un nuovo stato della materia chiamato Plasma di Gluoni e Quark.

Esistono 3 stati della materia conosciuti e studiati da tempo: solido, liquido e gassoso. Il quarto stato ed il meno conosciuto è il PLASMA che nella vita di tutti i giorni troviamo nei neon appesi ai soffitti dei nostri uffici. Dentro al neon è presente una corrente che è abbastanza intensa da riuscire a strappare agli atomi del gas che attraversa gli elettroni, lasciando quindi ioni positivi e elettroni (cariche negative) viaggiare libere senza la possibilità di ricombinarsi in quanto sprovvisti dell’energia necessaria.

Il nostro plasma di tutti i giorni però non è ancora quello prodotto da LHC (meno male!). Dobbiamo fare un passo in più. Il plasma di gluoni e quark dobbiamo immaginarlo come un “zuppa” fluida estremamente calda in cui i costituenti di neutroni e protoni si disgregano lasciando liberi dal legame dei gluoni i singoli quark. Questo calore è paragonabile a quello che si ipotizza esserci stato poco istanti dopo il Big Bang. Questa zuppa è un fluido particolare in quanto ci mostra un comportamento collettivo dei suoi componenti che lo rende un fluido perfetto senza viscosità alcuna. Se provassimo a metterlo in un recipiente lo vedremo traboccare dal recipiente e distribuirsi in tutto l’ambiente circostante.

L’esperimento ALICE al CERN è dedicato proprio allo studio del plasma di gluoni e quark. Ogni anno per poche settimane LHC accellera fasci di ioni di piombo al posto di protoni e ALICE raccoglie i dati sia dalle collisioni protone-protone sia dalle collisioni tra ioni di piombo e protoni. I fisici tengono comunque in considerazione che i due tipi di collisioni sono simili, cioè avvengono entrambe tra elementi costituiti a loro volta da altri elementi più piccoli. Ma quello che succede, come prodotto della collisione è diverso, in quanto il plasma di gluoni e quark viene prodotto solo nelle collisioni con ioni pesanti fino a quanto è disponibile densità d’energia sufficiente in un volume unitario di dimensioni paragonabili a quelle del nucleo. Un fenomeno che differisce dalle altre collisioni è che gran parte delle particelle prodotte dalla collisione vengono riassorbite e quindi solo poche emergono e quindi vengono rivelate dalla collisione. Dalle collisioni (protone-ione) gli scienziati cercano di osservare lo stato iniziale delle particelle (legate o libere) e cosa ne causa lo stato finale (particelle riassorbite).

Con solo un giorno di presa dati nella nuova configurazione (protone-ione), la collaborazione ALICE ha pubblicato 2 papers. Il primo presenta le misurazioni della densità di carica prodotta nella collisione protone-ione e la confronta (con appropriate normalizzazioni) con la stessa misura fatta sulle collisioni protone-protone e ione-ione. Il secondo invece compara la distribuzione dei mementi degli adroni carichi misurati nelle collisioni protone-ione e protone-protone. L’obiettivo ultimo è quello di studiare quella che viene chiamata Funzione di Struttura, che descrive come i quarks e i gluoni sono distribuiti geometricamente all’interno dei protone, quando sono liberi o immersi nel nucleo.

Più dati arriveranno dalle prese dati sulle collisioni che avverranno agli inizi del 2013 per cui teniamo d’occhio ancora di più ALICE aspettando che faccia chiarezza sul quarto stato della materia e quindi sui primi istanti dopo il Big Bang.

Articolo tratto da: http://www.quantumdiaries.org/2012/10/19/the-coolest-and-hottest-fluid/
Immagine ottenuta da database CDS CERN: http://cdsweb.cern.ch/record/768099/files/0312001.jpg Simulazione collisione ione-ione.

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