Il rivelatore CMS e un "nuovo" stato della materia

Collisione p-Pb a 5.02 TEV. (Crediti: CMS/CERN).

GINEVRA – Uno dei risultati delle collisioni tra protoni e nuclei di piombo (p-Pb) documentato grazie all’esperimento CMS del Large Hadron Collider (LHC) di Ginevra è la produzione della più piccola goccia di plasma mai prodotta in laboratorio. Un articolo pubblicato su ArXiV dalla collaborazione CMS ribadisce l’ipotesi che i frammenti delle collisioni p-Pb riproducono quanto siamo abituati a vedere nelle collisioni piombo-piombo: la formazione di gocce di plasma quark-gluonico, che rappresenta la teoria più accreditata per spiegare il cosiddetto ridge effect, che da qualche anno sfida le attuali conoscenze sulla fisica delle interazioni fondamentali tra le particelle.

Dalle collisioni di protoni con nuclei di piombo si formano coppie di frammenti le cui traiettorie restano brevemente correlate, come se fossero immerse in un fluido che le lega. Il fenomeno, emerso recentemente nell’esperimento CMS, è analogo a quello osservato in precedenza in collisioni piombo-piombo e viene spiegato con la formazione di una minuscola gocciolina di plasma quark-gluonico per brevissimo tempo dopo la collisione.

Il Ridge Effect, che deve il nome dalla caratteristica “cresta” che si osserva nei grafici dei dati raccolti, è stato scoperto nel 2010 proprio nell’ambito di alcuni esperimenti di collisione protone-protone all’interno dell’LHC e rivelati proprio grazie a CMS. In quella situazione sperimentali i ricercatori che studiavano le traiettorie dei frammenti prodotti dalle collisioni hanno osservato che alcune di queste erano tra loro correlate in un modo allora sconosciuto.

Comparazione tra le collisioni PbPb (a sinistra) e le pPb (a destra). (Crediti: CERN).

Dopo numerosi controlli incrociati per verificare la realtà del fenomeno, i fisici del CERN hanno ipotizzato che si trattasse della creazione di materia estremamente densa e calda nel corso delle collisioni. L’ipotesi è stata successivamente confermata dal confronto con analoghi esperimenti condotti con collisioni tra ioni oro presso il Relativistic Heavy Ions collider (RHIC) del Brookhaven National laboratory, negli Stati Uniti.

Collisioni protone-piombo. Studiate soprattutto nei primi mesi di quest’anno, l’analisi dei dati sembra dimostrare che i processi in gioco sono gli stessi delle collisioni piombo-piombo. Le traiettorie dei frammenti risultano correlate tra loro, come se gli stessi frammenti inizialmente procedessero sul loro cammino legati da un fluido in limitatissima quantità, che poi si raffredda e dissolve rapidissimamente. Se il risultato sarà confermato, si tratterebbe della più piccola gocciolina di fluido mai prodotta in laboratorio.

Comparazione tra le collisioni mediante il calcolo della deviazione angolare su un piano. (Crediti: CERN).

Come spiegare questa correlazione? Il modello più probabile in grado di spiegare gli effetti misurati prevede che l’estrema energia prodotta nella collisione liberi i costituenti dei protoni, i quark e i gluoni, che passano in una forma chiamata plasma quark-gluonico, uno stato della materia che si ritiene essere stata presente pochi istanti dopo il big bang. Questi primi risultati sull’esistenza di fenomeni collettivi nel flusso di particelle hanno stimolato i fisici teorici del CERN a studiare a fondo la questione, e dopo la scoperta della correlazione tra coppie di particelle emergono già correlazioni a quattro particelle.

Resta però un problema: queste correlazioni tra le collisioni pp e ppb hanno un’origine fisica comune come nelle interazioni PbPb? I nuovi dati a disposizione rendono anche possibile analizzare le correlazioni a lungo raggio in maggior dettagli usando una tecnica simile al metodo utilizzato per studiare la radiazione cosmica di fondo (CMB). Per l’analisi dei dati della CMB le fluttuazioni microscopiche della temperatura rivelano la disomogeneità dell’Universo primordiale nei suoi primi momenti di vita dopo il Big Bang. In modo analogo, in ogni collisione piombo-piombo un microcosmo diverso è prodotto con un insieme di fluttuazioni di hot spot nella zona di collisione che poi si propagano come onde che possono essere rivelate da CMS. In sistemi con un tetto di 50 particelle, CMS ha scoperto una notevole somiglianza tra le collisioni pPb e PbPb, soprattutto in quanto producono lo stesso numero di particelle nello stato finale. (Fonte:phys.org/news/2013-06-phenomena-cms-exotic-state.html. Pubblicato originariamente su cyberscienza.it il 04/06/2013).

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