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FISICA/ L’universo “neonato”? È possibile studiarlo grazie all’acceleratore di particelle

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Il 14 maggio scorso è stato lanciato in orbita il satellite Planck. Grazie a questo strumento potremo studiare il nostro universo come appariva a soli 380.000 anni dal Big Bang, quando venne emessa quella che chiamiamo radiazione cosmica di fondo. Questi 380.000 anni possono sembrare un’età considerevole: se però teniamo conto che l’universo ha circa 13,7 miliardi di anni, è un po’ come se nostro nonno ci mostrasse le foto di quando aveva poche ore di vita. Ma cosa avvenne ancora prima? È possibile in qualche modo avere delle informazioni su come poteva essere l’universo prima ancora che la radiazione di fondo si formasse? Prima che gli atomi si formassero? L’incredibile risposta a questa domanda è: “Sì”. È possibile investigare come era l’universo addirittura 0,000001 secondi dopo la sua nascita. Questo è ciò che si sta studiando da qualche anno nei laboratori di Brookhaven (New York) e di cui ci si occuperà anche nel nuovo acceleratore LHC presso il Cern di Ginevra.

Negli esperimenti condotti presso l’acceleratore di particelle americano, vengono fatti scontrare tra loro nuclei di atomi molto pesanti, cioè contenenti un gran numero di protoni e neutroni. Gli atomi sono accelerati fino a una velocità pari al 99.995% di quella della luce (che, ricordiamo, è 300.000 km/s) e le temperature che si raggiungono durante gli urti sono altissime, circa mille miliardi di gradi, il che significa molto più alte della temperatura di qualsiasi stella, diecimila volte più del nucleo del sole. Temperature e densità che si pensa potessero essere presenti nei primissimi istanti di vita del nostro universo. Quello che in questi esperimenti è stato osservato, da un lato ha confermato quanto si pensava dovesse succedere; dall’altro ha portato alla luce qualcosa di totalmente inaspettato. L’ipotesi teorica era che a causa dell’elevata temperatura i nuclei si sarebbero scomposti nei loro costituenti fondamentali, i quark, e per pochi istanti (circa 10 milionesimi di miliardesimo di miliardesimo di secondo) si sarebbe potuto osservare un nuovo stato della materia, chiamato Quark Gluon Plasma (QGP), in cui quark e i gluoni (le particelle che tengono insieme i quark nel nucleo di ogni atomo) si sarebbero dovuti muovere liberamente nello spazio, al contrario di quanto avviene normalmente. Per comprendere il QGP bisogna considerare che la materia di cui anche noi siamo fatti è composta di atomi il cui nucleo contiene protoni e neutroni. A loro volta questi al loro interno contengono tre quark. La particolarità di queste particelle fondamentali è che non le possiamo mai vedere da sole: all’interno del protone e del neutrone esse sono legate da una specie di colla (i gluoni appunto) che non ci permette di separarli. Nel QGP questa separazione avviene. Questo stato è quindi qualcosa di molto diverso da ciò a cui siamo abituati e proprio per questo, nonostante la sua esistenza fosse stata predetta in linea teorica sin dalla fine degli anni settanta, l’effettiva possibilità di ottenerlo in laboratorio rimase in dubbio per venticinque anni; fino a quando nel 2004 si ebbe la prima evidenza sperimentale grazie al lavoro dei fisici di Brookhaven. Se l’evidenza sperimentale del QGP fece grosso scalpore all’interno della comunità dei fisici che studiavano questo problema, ancor più sorprendente fu la scoperta che i quark e i gluoni in questo stato si comportavano in modo molto diverso da quello che ci si aspettava. Si pensava che le particelle del plasma si sarebbero comportate come se fossero in uno stato gassoso; si osservò invece che il comportamento era molto più simile a quello di un liquido. Straordinariamente vicino al comportamento di un liquido perfetto. Addirittura il QGP risultò essere il liquido “più perfetto” esistente in natura. Ancora una volta la natura ci sorprende comportandosi in un modo totalmente inaspettato.

Sono passati cinque anni dall’evidenza sperimentale dell’esistenza del QGP e poco ancora si è capito di come la materia si comporta in condizioni così estreme.

La difficoltà nel descrivere, spiegare e prevedere cosa avviene nel QGP emerge immediatamente nel notare ad esempio quanti e quanto diversi siano i metodi utilizzati dai fisici teorici per affrontare il problema: si va dall’utilizzo delle equazioni idrodinamiche relativistiche, ai modelli di vortici di colore e monopoli magnetici, fino a calcoli in teorie di buchi neri in spazi a dieci dimensioni. 

È come se ci avessero portato un po’ di terra da un nuovo continente. Facendone un’analisi chimica riusciremmo a capire delle cose, con una spettrometrica delle altre. Diverse tecniche ci fanno scoprire aspetti diversi di questo luogo sconosciuto. Sicuramente però avremo bisogno di altra terra, e magari di qualche pianta e qualche nuovo macchinario o tecnica per capire di più e meglio quello che avviene là. Così è anche per questo “nuovo continente”, il Quark Gluon Plasma. Siamo solo agli inizi della ricerca e nuovi esperimenti e nuove teorie ci aiuteranno a comprendere sempre meglio il nostro universo neonato.



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