Le scie dei quark al CERN confermano la natura liquida del plasma primordiale

Il 6 ottobre, gli scienziati del Large Hadron Collider in Svizzera hanno pubblicato prove dirette che i quark generano scie all'interno del plasma di quark e gluoni. I risultati, diffusi tramite ScienceDaily, indicano che la materia primordiale è abbastanza densa da rallentare i quark veloci e reagire collettivamente come un fluido. Questo risultato risolve un dibattito di lunga data sullo stato fisico della materia cosmica più antica, fornendo la prima prova diretta che si comporta come un liquido coeso, non come un gas diffuso. Le implicazioni per la cosmologia sono significative, poiché permettono ai fisici di modellare il comportamento dei primi microsecondi dell'universo con una precisione senza precedenti.

Yen-Jie Lee, professore di fisica al MIT nel team del CERN, ha definito il risultato una risoluzione di un lungo dibattito. "È stato un lungo dibattito nel nostro campo, su se il plasma dovesse rispondere a un quark", ha detto Lee. "Ora vediamo che il plasma è incredibilmente denso, al punto da essere in grado di rallentare un quark e produrre spruzzi e vortici come un liquido. Quindi il plasma di quark e gluoni è davvero una zuppa primordiale."

L'esperimento ha fatto scontrare ioni pesanti a velocità prossime a quella della luce per ricreare i primi momenti dell'universo. Le temperature hanno raggiunto trilioni di gradi durante questi microsecondi, formando il plasma di quark e gluoni. Questo stato si è raffreddato rapidamente, permettendo a quark e gluoni di legarsi in protoni, neutroni e altre particelle comuni. Il processo rispecchia le condizioni esistenti subito dopo il Big Bang, quando l'universo era troppo caldo per formare atomi. Studiando queste collisioni, i ricercatori possono osservare le forze fondamentali che hanno plasmato la prima materia nel cosmo. I dati raccolti durante questi eventi ad alta energia offrono una finestra unica sulle proprietà della materia in condizioni estreme.

Tracciando singoli quark in movimento nel plasma, il team ha osservato increspature, spruzzi e scie vorticose simili a quelle di un'anatra nell'acqua. Queste osservazioni offrono la prima prova diretta che il plasma di quark e gluoni reagisce alle particelle veloci come un fluido unico. Non si comporta semplicemente come una raccolta di particelle che si disperdono indipendentemente. Il comportamento fluido è coerente con la materia che è un vero liquido, non un gas o un solido. È questo moto collettivo a generare le scie visibili rilevate dal team. Senza questa proprietà simile a un liquido, le scie non si formerebbero nel pattern osservato.

Lo studio è stato guidato da fisici del MIT e ha incluso membri della Collaboration CMS, un gruppo globale che utilizza il rivelatore Compact Muon Solenoid. Lee e i colleghi hanno sviluppato un nuovo metodo per rilevare queste scie di quark. Prevedono di applicarlo a ulteriori dati di collisione per trovare altri esempi e studiarli in maggior dettaglio. Questo sforzo collaborativo evidenzia la natura internazionale della ricerca in fisica delle particelle moderna. Il rivelatore Compact Muon Solenoid è uno degli strumenti più grandi mai costruiti a questo scopo. La sua precisione è essenziale per catturare gli effetti sottili delle interazioni dei quark nel plasma.

La misurazione della dimensione, velocità, estensione e tempo di dissolvenza delle scie potrebbe rivelare proprietà chiave del plasma di quark e gluoni. Tali dati potrebbero anche suggerire come si comportava il plasma nei primi microsecondi dopo l'inizio dell'universo.

"Studiare come le scie di quark rimbalzano avanti e indietro ci darà nuovi spunti sulle proprietà del plasma di quark e gluoni", ha detto Lee. "Con questo esperimento, stiamo scattando una foto di questa zuppa di quark primordiale."

Questa scoperta si inserisce in una settimana intensa per la fisica delle particelle. Il 7 ottobre, i fisici dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno riportato un comportamento superconduttivo insolito nel dittellururo di uranio. Le coppie di elettroni hanno formato pattern ondulanti chiamati onde di densità di coppie. Pubblicato sul Proceedings of the National Academy of Sciences, lo studio suggerisce che questi pattern persistono dopo la scomparsa della superconduttività ordinaria. La scoperta mette in discussione i modelli esistenti su come funziona la superconduttività nei materiali complessi. Apre nuove vie per comprendere gli stati quantistici della materia. I risultati sono dettagliati in un articolo che ha già scatenato discussioni tra i fisici della materia condensata.

Eduardo Fradkin, professore di fisica all'Engineering della Grainger dell'Illinois e co-leader del progetto, ha descritto la scoperta come significativa. "Le onde di densità di coppie sono il sorriso del gatto del Cheshire della superconduttività", ha detto Fradkin. "Sono la vestigia che rimane una volta scomparso il fenomeno stesso. Nei superconduttori convenzionali, le coppie di Cooper si formano quando si verifica la transizione di fase completa, ma, in questo sistema, la loro osservazione nelle PDW al di sopra del punto di transizione mostra che si formano in precedenza in uno stato diverso."

Il 4 ottobre, i ricercatori dell'Università di Melbourne hanno pubblicato i risultati di un esperimento forestale australiano durato 30 anni. Lo studio, diffuso tramite ScienceDaily, ha scoperto che le foreste di eucalipto montano molto diradate hanno prodotto alberi di dimensioni insolitamente grandi. Queste foreste hanno anche recuperato abbastanza carbonio da eguagliare o superare le aree intatte. Questo suggerisce che un diradamento attento può supportare la produzione di legname, l'habitat della fauna selvatica e lo stoccaggio del carbonio allo stesso tempo. I dati a lungo termine offrono una rara occhiata su come le foreste gestite evolvono nel corso dei decenni. Offre spunti pratici per pratiche forestali sostenibili in ecosistemi simili in tutto il mondo.

La scoperta delle scie di quark al CERN è importante per i modelli dell'universo primordiale. Confermare la natura simile a un liquido del plasma di quark e gluoni offre uno scorcio tangibile delle condizioni nei primi istanti dopo il Big Bang. Il nuovo metodo di rilevamento consente un'ulteriore analisi di come si comportava questa materia primordiale, potenzialmente affinando i modelli dell'evoluzione più antica dell'universo.