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Al Cern le meraviglie della zuppa primordiale

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Al CERN, il più grande laboratorio al mondo per lo studio della fisica delle particelle elementari, sono giorni di enorme entusiasmo e frenetica attività. Un anno dopo aver strappato al Fermilab, laboratorio americano vicino a Chicago, il record della più alta energia mai raggiunta da un acceleratore di protoni, il CERN ha infatti stabilito un nuovo primato ottenendo collisioni tra nuclei ad una energia 13 volte maggiore di quella raggiunta presso il RHIC, un altro laboratorio americano che ha sede a Brookhaven nei pressi di New York. Il CERN in questo modo si conferma ormai come il vero centro mondiale della fisica delle alte energie e centro di attrazione e opportunità per scienziati di tutto il mondo. In questo grande laboratorio,infatti, essi trovano un ambiente aperto e stimolante, in cui le barriere della politica perdono significato e in cui ogni scienziato contribuisce ad accrescere il bagaglio scientifico di tutta la comunità.

Ma veniamo alla cronaca di questi giorni: il grande acceleratore del CERN, LHC, si è dimostrato ancora una volta un vero gioiello di tecnologia. Dopo aver ottenuto una progressione impressionante nel numero di collisioni prodotte al secondo con i protoni (che raddoppiavano praticamente ogni settimana!), si è trasformato in pochi giorni in un efficiente acceleratore di nuclei inaugurando lo studio di una regione di fisica ancora inesplorata.

In una collisione ultrarelativistica i nuclei pesanti, oggetti straordinariamente grandi per la fisica delle particelle, si comprimono e si scaldano fino a raggiungere densità di energia tali da “fondere” i protoni e i neutroni che li costituiscono. In questo stato i gluoni e i quarks si trovano liberi di muoversi in una sorta di “zuppa adronica” con le proprietà di un plasma, straordinariamente densa e che raggiunge delle temperature che sono di centinaia di migliaia di volte maggiori di quelle presenti all'interno del sole!

Perchè questo plasma è per noi così interessante? Lo studio di questo stato, noto come Quark Gluon Plasma è un passo fondamentale per la comprensione delle interazioni forti che sono le leggi che permettono la descrizione dei nuclei all'interno degli atomi e in generale dei fenomeni fisici in cui sono coinvolti gli adroni. Inoltre lo stato di Quark Gluon Plasma è lo stesso in cui si è trovato il nostro universo nei primi istanti della sua esistenza (pochi milionesimi di secondi dopo il Big Bang!).

Queste collisioni ci permettono quindi di ricreare in laboratorio una gocciolina di materia primordiale che possiamo seguire durante la sua evoluzione: da “zuppa” di quarks e gluoni a materia composta da particelle ordinarie nello stato che conosciamo. Lo studio dell'evoluzione di questo sistema e delle transizioni che esso subisce è fondamentale per comprendere i primi istanti di vita del nostro universo.

Per tutte queste ragioni, l’entusiasmo dei fisici di fronte a questa nuova frontiera per la fisica delle particelle è enorme e sta già dando i primi risultati! I tre esperimenti che hanno il compito di osservare le collisioni di nuclei a LHC (ALICE, ATLAS e CMS) si sono lanciati a analizzare i primi dati in uno stimolante miscuglio di competizione e collaborazione.

Sono così già stati pubblicati due articoli di ALICE e uno di ATLAS, mentre l'articolo di CMS è quasi ultimato. Le sorprese fortunatamente non mancano! Il sistema osservato infatti si presta, come accadde a RHIC, ad essere descritto come un liquido perfetto, nonostante la densità di energia sia assai più elevata, e mostra una opacità sorprendente ai quark di alta energia. La misura di quest’ultimo effetto, il cosiddetto “jet quenching” è analogo a fare una radiografia del plasma creato e trovarla completamente nera! Insomma, siamo appena arrivati in una terra ignota, ma si capisce già che sarà affascinante da esplorare. Restate in linea, ci saranno novità ad ogni passo! ALICE, che si prepara da vent’anni specificamente per lo studio di queste collisioni fra nuclei, è finalmente entrata nel paese delle Meraviglie.

ritratto di Paolo Giubellino Paolo Giubellino
INFN, Torino

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Immagine: Westminster; licenza: Pixabay License.

Questo articolo sulla consulenza scientifica è stato originariamente commissionato e pubblicato dalla Campagna per le Scienze Sociali del Regno Unito nell'ambito del programma COVID-19 (Campaign for Social Science as part of its COVID-19 programme) Traduzione: Jacopo Mengarelli. Supervisione: Alessandro Allegra.