Scoperte increspature nel plasma di quark e gluoni

Scientists see ripples of a particle-separating wave in primordial plasma

Rappresentazione artistica del centro di collisione tra ioni e degli effetti a cascata sul campo magnetico, (crediti: Brookhaven National Laboratory).

Gli scienziati della collaborazione STAR (Relativistic Heavy Ion Collider o RHIC, un acceleratore di particelle che studia la fisica della materia) hanno presentato uno studio in cui si espongono nuove evidenze in merito all’esistenza dell’onda magnetica chirale, una increspatura nella zuppa di plasma primordiale di quark e gluoni. Si tratta di uno stato della materia che esisteva nell’universo primordiale, quando quark e gluoni – gli elementi costitutivi di protoni e neutroni – nuotavano liberi prima di legarsi in particelle più grandi. A quanto pare le collisioni di ioni al RHIC sono in grado di ricreare il blob primordiale. 

Sulle prime fasi del big bang non abbiamo le idee chiarissime. I modelli maggiormente accreditati raccontano questa storia: all’inizio il cosmo era isotropo e omogeneo, con temperatura, pressione e densità energetica elevate. Possiamo dire che si stava espandendo e raffreddando molto velocemente. Verso i 10−37 secondi dopo il big bang, qui inteso come istante iniziale del tutto, una transizione di fase causò l’nflazione: l’universo aumentò le sue dimensioni esponenzialmente. Quando questo processo si arrestò, l’universo non aveva l’aspetto a cui siamo abituati oggi. Era un plasma incandescente di quark e gluoni. Ma questa condizione non durò per “molto”.

Ad un istante non meglio precisato, la bariogenesi violò il principio di conservazione del numero barionico determinando uno squilibrio tra quark/leptoni sugli antiquark/antileptoni (nell’ordine di 1 su 30 milioni). Non solo la materia vinse sull’antimateria, ma l’universo pur continuando ad espandersi cominciò a raffreddarsi finché le quattro interazioni fondamentali e i parametri delle particelle elementari non raggiunsero i loro valori attuali. Da questo momento in poi – siamo a dopo 10−11 secondi dal big bang – il quadro diventa meno speculativo, visto che i moderni accelaratori di particelle riescono a raggiungere quelle temperature e a mostrarci com’era l’universo a quei tempi.

Le tappe successive sono più lineari: arrivati a 10−6 secondi, quark e gluoni si combinarono per formare protoni e neutroni, e quando la temperatura giunse a 109 kelvin (ovvero un miliardo di kelvin), ad una densità paragonabile a quella dell’aria, i neutroni si combinarono con i protoni innescando la nucleosintesi, ossia la formazione dei primi nuclei di deuterio ed elio.

L’evoluzione cosmica successiva all’epoca inflazionaria può essere descritta rigorosamente dal modello Lambda-CDM, ma non esiste ancora un modello che descriva  i fenomeni precedenti a 10−15 secondi. Come direbbe Paul Davies, è più semplice congetturare gli ultimi tre minuti che conoscere i primi tre minuti di vita dell’universo! Ma torniamo a noi.

Scientists see ripples of a particle-separating wave in primordial plasma

Dettaglio del Relativistic Heavy Ion Collider. (Crediti: Brookhaven National Laboratory.

L’onda magnetica chirale è stata rilevata mediante un esperimento in cui un pacchetto di atomi d’oro è stato spogliato degli elettroni, in modo da lasciare per ciascun atomo ben 79 protoni con carica positiva all’interno di un nucleo nudo. Quando questi ioni collidono la miscela di materia interna inizia a girare in un vortice a causa della carica positiva. Si genera in questo modo un potente campo magnetico perpendicolare al (centro di) massa della materia in movimento. Immaginate una sfera con i poli nord e sud. Al’interno ci sono un gran numero di particelle subatomiche, tra quark e gluoni nella fase precoce, e di altre particelle in una fase successiva generate dall’energia depositata nella zona di collisione. Ora, la direzione della loro rotazione rispetto alla loro direzione di movimento è una proprietà chiamata chiralità: quella che si muove in senso orario è analoga alla mano destra, mentre lo spinning antiorario è tipico delle particelle mancine.

Scientists see ripples of a particle-separating wave in primordial plasma

Vista dall’alto del Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). Crediti: Brookhaven National Laboratory.

Se il numero di particelle e antiparticelle non è simmetrico, spiegano  ricercatori, il campo magnetico interesserà le particelle destrorse e sinistrorse in modo diverso, causando una loro separazione (lungo l’asse del campo magnetico) secondo la loro “carica chirale”. Questa ‘separazione chirale’ agisce come un seme che, a sua volta, genera particelle con cariche diverse. Questo fenomeno innesca una specie di reazione a catena in cui la separazione chirale tra particelle è correlativa ad una loro separazione di carica – da qui il nome onda magnetica chirale.

La scoperta ha alcune importanti implicazioni. Innanzitutto l’esistenza del plasma di quark e gluoni, condizione necessaria per il verificarsi dell’onda chirale.  In secondo luogo l’esistenza di una simmetria chirale secondo cui l’identità indipendente delle particelle sinistrorse e destrorse potrà essere ripristinata. Più in dettaglio, nel Modello Standard i fermioni avrebbero tutti massa nulla grazie all’invarianza sotto parità, altrimenti detta simmetria chirale, necessaria alla coerenza della teoria. L’acquisizione di massa avverrebbe tramite rottura spontanea di simmetria dovuta al campo di Higgs, che conserva al contempo la simmetria di gauge del modello (la stessa QDC – o cromo dinamica quantistica – prevede, se sorvoliamo su alcune criticità,  la rottura della simmetria).

Fonte:

http://phys.org/news/2015-06-scientists-ripples-particle-separating-primordial-plasma.html

Paper:

STAR Collaboration: Observation of charge asymmetry dependence of pion elliptic flow and the possible chiral magnetic wave in heavy-ion collisionsarxiv.org/abs/1504.02175.

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