Plasma di quark e gluoni

Plasma di quark e gluoni è uno stato estremo della materia in cui gli elementi costitutivi di protoni e neutroni — quark e gluoni - non sono più rinchiusi all'interno di singole particelle ma vagano liberamente in una zuppa calda e densa. Si ritiene che abbia riempito l'intero universo per i primi milionesimi di secondo dopo il Big Bang, ed è stato brevemente ricreato nei più potenti collisori di particelle del mondo.

Rompere il legame più forte

Normalmente, i quark sono permanentemente intrappolati all'interno di protoni, neutroni e altre particelle dalla forza nucleare forte, trasportata dai gluoni. Questo intrappolamento è chiamato confinamento: la forza tra i quark diventa più forte quando si tenta di separarli, quindi non vengono mai visti isolatamente. Ma a temperature estreme – trilioni di gradi, molto più calde del centro del Sole – o a densità estreme, la morsa del confinamento si spezza. Quark e gluoni "deconfinano" e si muovono liberamente. Questa transizione è una delle previsioni centrali della teoria della forza forte, la cromodinamica quantistica (QCD).

Ricreare l'universo primordiale

Per produrre plasma di quark e gluoni, i fisici frantumano insieme nuclei atomici pesanti – come oro o piombo – quasi alla velocità della luce in strutture come il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) e il Large Hadron Collider (LHC). La collisione concentra un'enorme energia in un volume minuscolo, sciogliendo brevemente i nuclei nel plasma prima che si raffreddi e si congeli nuovamente in particelle ordinarie in meno di 10⁻²² secondi. I rilevatori ricostruiscono lo spruzzo di particelle che emerge per studiare come era il plasma.

Un liquido perfetto

Una delle grandi sorprese è stata che il plasma di quark e gluoni non si comporta come un gas sottile, come molti si aspettavano, ma come un quasi liquido perfetto — scorre quasi senza viscosità. Questa scoperta ha collegato la fisica nucleare ad aree inaspettate, tra cui la teoria delle stringhe e lo studio del comportamento dei sistemi fortemente interagenti. Lo studio delle proprietà del plasma – come ferma le particelle veloci, come scorre – rimane un importante programma sperimentale.

Un malinteso comune

Il plasma di quark e gluoni non è semplicemente "materia ordinaria molto calda". È una fase veramente diversa in cui le solite particelle della fisica nucleare si sono dissolte, proprio come il ghiaccio che si scioglie nell’acqua è un cambiamento di fase – tranne che qui sono i protoni e i neutroni stessi a fondersi nei loro costituenti.

Numeri chiave: più caldo di qualsiasi stella

Per ricreare il plasma di quark e gluoni sono necessarie temperature quasi inimmaginabili. Le collisioni di ioni pesanti al RHIC e all'LHC raggiungono brevemente

T ≈ 4 × 10¹² K (circa 250.000× il nucleo del Sole)

molto al di sopra della soglia di deconfinamento di circa 2 × 10¹² K previsto dalla teoria della forza forte. La sorpresa più grande è stata la del plasma flusso: invece di comportarsi come un gas, ha un rapporto tra viscosità e densità entropica così basso da essere tra i liquidi più perfetti mai osservati, vicino a un limite quantico fondamentale. Questo flusso quasi privo di attrito, ricostruito dal modo in cui le particelle fuoriescono dalla collisione, è ora uno dei segni sperimentali che definiscono il plasma di quark e gluoni.