Ci sono anche fisici di Bari e italiani tra gli scienziati che hanno concorso alla scoperta del Cern tra le più rilevanti degli ultimi anni nel campo della fisica delle particelle: l’osservazione di segnali di materia primordiale anche nelle collisioni tra protoni. In particolare, docenti e ricercatori del Dipartimento di Fisica dell’Università e del Politecnico di Bari, in collaborazione con l’INFN, hanno contribuito in modo significativo alla ricerca, condotta nell’ambito della Collaborazione internazionale ALICE al CERN di Ginevra, i cui risultati sono stati pubblicati in questi giorni sulla prestigiosa rivista Nature Communications: per la prima volta, alcuni dei segnali caratteristici del plasma di quark e gluoni — lo stato della materia esistente nell’Universo subito dopo il Big Bang — sono stati osservati non solo nelle collisioni tra nuclei pesanti, come tradizionalmente atteso, ma anche in sistemi molto più piccoli, come le collisioni tra singoli protoni. Un risultato inatteso, che riscrive le condizioni in cui questo stato primordiale della materia può formarsi.
Lo studio ricostruisce le condizioni dell’Universo nei suoi primissimi istanti dopo il Big Bang, quando la materia non esisteva ancora nella forma di protoni e neutroni che conosciamo oggi, ma si presentava come un “fluido” di particelle elementari chiamato plasma di quark e gluoni — uno degli stati più antichi e affascinanti della materia. A miliardi di anni di distanza, gli scienziati riescono a riprodurre e studiare questo stato primordiale grazie al Large Hadron Collider (LHC) del CERN, il più grande acceleratore di particelle al mondo, facendo collidere nuclei atomici a energie elevatissime.
Tradizionalmente, il plasma di quark e gluoni si riteneva potesse formarsi solo nelle collisioni tra nuclei “grandi”, come quelli di piombo. Lo studio di ALICE mostra invece che alcuni dei suoi segnali caratteristici emergono anche in collisioni molto più piccole, come quelle tra protoni o tra protoni e nuclei di piombo. In particolare, i ricercatori hanno osservato un comportamento comune nei diversi tipi di collisione: le particelle prodotte non si distribuiscono in modo del tutto casuale, ma mostrano una sorta di movimento collettivo, come se il sistema “fluisse” per un brevissimo istante dopo l’impatto.
Uno degli indizi più chiari di questo fenomeno è il cosiddetto flusso anisotropo, che descrive la tendenza delle particelle a muoversi preferenzialmente lungo certe direzioni. Questo effetto dipende anche dalla composizione delle particelle stesse: quelle formate da tre quark, chiamate barioni (come i protoni), mostrano un comportamento diverso rispetto a quelle composte da una coppia quark-antiquark, i mesoni.
Secondo l’interpretazione proposta, subito dopo la collisione i quark si muovono in modo coordinato all’interno del sistema e, successivamente, si combinano per formare le particelle osservate dai rivelatori. Poiché i barioni contengono più quark, essi risentono maggiormente di questo moto collettivo, lasciando una “traccia” più evidente del processo avvenuto. Le analisi, condotte con grande precisione, mostrano che questo effetto – ben noto nelle collisioni tra nuclei pesanti – è presente anche nei sistemi più piccoli. Un risultato che apre nuovi interrogativi su come e quando si formi il plasma di quark e gluoni, suggerendo che le condizioni necessarie possano essere meno restrittive di quanto si pensasse. I dati sperimentali sono in buon accordo con i modelli teorici più avanzati, che includono sia il moto collettivo dei quark sia il loro successivo processo di combinazione in particelle, anche se restano alcune questioni ancora aperte.
In prospettiva, futuri esperimenti con collisioni tra nuclei di ossigeno – un sistema intermedio tra protoni e piombo – potranno fornire informazioni cruciali per comprendere meglio l’origine e l’evoluzione di questo stato primordiale della materia. “Il contributo dell’Università degli Studi di Bari Aldo Moro a questa ricerca internazionale – commenta il Rettore dell’Università di Bari, Roberto Bellotti – conferma l’impegno dell’Ateneo nello studio dei fenomeni fondamentali della natura e nella partecipazione a grandi collaborazioni scientifiche di rilevanza mondiale”.
