I ricercatori ricreano quark hot-denso e gluone "zuppa" che ha riempito l'Universo primordiale

Per alcuni milionesimi di secondo poco dopo il Big Bang, i cosmologi credono che l'Universo sia stato riempito con una densa "zuppa" di quark e gluoni. Ora i ricercatori ritengono di aver usato la collisione di minuscoli proiettili e nuclei d'oro per ricreare minuscoli granelli di questo fluido primordiale perfetto.

Se le collisioni tra piccoli proiettili - protoni (p), deuteroni (d) e nuclei di elio-3 (3He) - e nuclei d'oro (Au) creano minuscoli punti caldi del plasma di quark-gluone, lo schema delle particelle rilevate dal rivelatore dovrebbe conservare un po 'di

Lo studio di questo fluido dovrebbe far luce sulla forza che governa il legame di quark e gluoni, le particelle fondamentali che compongono protoni e neutroni e quindi tutta la materia visibile che ci circonda. Ma ciò che i ricercatori non si aspettavano è poter ricreare questo fluido di particelle fondamentali.

I fisici nucleari hanno scoperto lo strano prodotto mentre analizzavano i dati del rivelatore PHENIX di Brookhaven Lab presso il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) pubblicando le loro scoperte questa settimana sulla rivista Nature Physics.

Jamie Nagle, un collaboratore di PHENIX, ha aiutato a ideare il piano sperimentale e le simulazioni teoriche che il team avrebbe usato per testare i loro risultati: “Questo lavoro è il culmine di una serie di esperimenti progettati per progettare la forma delle goccioline di plasma di quark-gluone “.

La scoperta è stata fatta quando il team ha esaminato le traiettorie di particelle create dall'impatto di piccoli proiettili come singoli protoni, atomi di deuterio e nuclei di elio-3 su "bersagli" di nuclei d'oro. Si è scoperto che i modelli di flusso di queste particelle corrispondevano alla geometria dei proiettili originali, esattamente come ci si aspetterebbe se creassero un fluido perfetto di plasma di quark-gluone.

Nagle ha dichiarato: "RHIC è l'unico acceleratore al mondo in cui possiamo eseguire un esperimento così strettamente controllato, scontrando particelle costituite da uno, due e tre componenti con lo stesso nucleo più grande, l'oro, tutti alla stessa energia".

Avvistamenti precedenti di liquidi perfetti

Il rivelatore PHENIX presso il Relativistic Heavy Ion Collider (Brookhaven National Lab)

L'uso dell'RHIC, il più grande acceleratore di particelle al mondo prima dell'attivazione dell'LHC, ha precedentemente consentito ai fisici di osservare il flusso di liquidi perfetti prima e la loro esistenza è ben consolidata. Quando i nuclei di particelle d'oro si scontrano a velocità vicine alla luce, ad esempio, l'energia estrema di centinaia di protoni e neutroni in collisione fonde i confini delle particelle interagenti permettendo ai gluoni e ai quark costituenti di interagire liberamente.

Una visualizzazione al computer di 7.200.000.000.000 di plasma di quark-gluon creato nel collider RHIC nel 2010 (Brookhaven National Lab)

Questo fluido risultante scorre come un liquido con una viscosità estremamente bassa, consentendo ai gradienti di pressione creati all'inizio della collisione di persistere e influenzare il modo in cui altre particelle colpiscono il rivelatore.

Ciò significa che le particelle che colpiscono il rivelatore mantengono una "memoria" della forma iniziale di ciascun proiettile - sferica nel caso dei protoni, ellittica per i deuteroni e triangolare per i nuclei di elio-3.

PHENIX ha analizzato le misurazioni di due diversi tipi di flusso di particelle (ellittiche e triangolari) da tutti e tre i sistemi di collisione e le ha confrontate con le previsioni su ciò che dovrebbe essere previsto in base alla geometria iniziale.

Julia Velkovska, vice portavoce di PHENIX, che ha guidato un team coinvolto nell'analisi dell'Università di Vanderbilt, ha dichiarato: “Le misurazioni corrispondono alle previsioni basate sulla forma geometrica iniziale. Stiamo osservando correlazioni molto forti tra la geometria iniziale e i modelli di flusso finale e il modo migliore per spiegare che è che il plasma di quark-gluon è stato creato in questi piccoli sistemi di collisione ".

I team hanno confrontato i risultanti schemi di flusso geometrico in questo ultimo esperimento con la teoria dell'idrodinamica che ha permesso loro di escludere le correlazioni suggerite da altre teorie della fisica come la meccanica quantistica per le collisioni oro-oro condotte in precedenza.

"Con tutto il resto uguale, vediamo ancora un flusso ellittico maggiore per l'oro deuterone che per l'oro protone, che corrisponde più da vicino alla teoria del flusso idrodinamico e mostra che le misurazioni dipendono dalla geometria iniziale", ha detto Velkovska. "Ma sulla base di ciò che stiamo vedendo e della nostra analisi statistica dell'accordo tra la teoria e i dati, quelle interazioni non sono la fonte dominante degli schemi di flusso finali."

PHNIX esaminerà ora i dati di questi esperimenti per determinare la temperatura raggiunta nelle collisioni su piccola scala, che se abbastanza calde supporteranno anche la creazione di plasma di quark-gluone.

Ricerca originale: https://www.nature.com/articles/s41567-018-0360-0