Un gruppo di ricerca coordinato dal fisico della Rice University Frank Geurts ha compiuto un passo rivoluzionario nello studio della materia primordiale, riuscendo per la prima volta a misurare con precisione le temperature del plasma di quark e gluoni durante diverse fasi della sua esistenza. Si tratta di una forma di materia che, secondo le teorie cosmologiche, avrebbe riempito l'universo appena pochi milionesimi di secondo dopo il Big Bang. I risultati, apparsi sulla rivista Nature Communications il 14 ottobre, rappresentano una finestra privilegiata sulle condizioni estreme che caratterizzarono i primissimi istanti dell'universo.
Il plasma di quark e gluoni, abbreviato in QGP dall'acronimo inglese, rappresenta uno stato della materia profondamente diverso da quello che conosciamo. In questo regime estremo, i costituenti fondamentali di protoni e neutroni – i quark e i gluoni – non sono più confinati all'interno delle particelle ma si muovono liberamente. L'intero comportamento di questa forma di materia dipende quasi esclusivamente dalla temperatura, rendendo cruciale la sua misurazione precisa per comprenderne le proprietà.
La sfida principale per gli scienziati è stata trovare un metodo per misurare temperature elevatissime in un ambiente dove nessuno strumento fisico potrebbe sopravvivere. Il team ha superato questo ostacolo analizzando coppie di elettroni e positroni – particelle note come leptoni termici – emesse durante collisioni ad altissima energia tra nuclei atomici presso il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) del Brookhaven National Laboratory, nello stato di New York. Queste emissioni hanno fornito il mezzo per ricostruire le temperature raggiunte dal plasma durante la sua formazione e il successivo raffreddamento.
I tentativi precedenti di stimare queste temperature avevano prodotto risultati incerti, spesso distorti dai movimenti interni del plasma che creavano effetti simili allo spostamento Doppler, oppure dalla confusione tra le misurazioni del plasma stesso e quelle delle fasi successive del suo decadimento. "Le nostre misurazioni sbloccano l'impronta termica del QGP", ha spiegato Geurts, professore di fisica e astronomia e co-portavoce della collaborazione STAR presso il RHIC. "Tracciare le emissioni di dileptoni ci ha permesso di determinare quanto fosse caldo il plasma e quando ha iniziato a raffreddarsi, offrendo una visione diretta delle condizioni esistenti pochi microsecondi dopo l'origine dell'universo."
A differenza dei quark, che possono interagire con il plasma modificandone le caratteristiche, le coppie di elettroni e positroni lo attraversano praticamente inalterate, portando con sé informazioni non distorte sull'ambiente da cui provengono. Geurts ha definito questi leptoni termici come "candidati ideali" per fungere da termometro del plasma. Tuttavia, rilevare queste coppie effimere tra innumerevoli altre particelle ha richiesto apparecchiature estremamente sensibili e una calibrazione meticolosa.
Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno perfezionato i rivelatori del RHIC in modo da isolare le coppie di leptoni a basso momento e ridurre il rumore di fondo. Hanno quindi testato l'idea che la distribuzione energetica di queste coppie potesse rivelare direttamente la temperatura del plasma. Questo approccio, noto come termometro penetrante, integra le emissioni attraverso l'intera vita del QGP per produrre un profilo termico medio. Nonostante le difficoltà nel distinguere i segnali termici autentici da processi non correlati, il team è riuscito a ottenere misurazioni estremamente precise.
I dati hanno rivelato l'esistenza di due distinti intervalli di temperatura, che dipendono dalla massa delle coppie di dielettron emesse. Nell'intervallo di bassa massa, la temperatura media ha raggiunto circa 2,01 trilioni di Kelvin, un valore coerente con le previsioni teoriche e con le temperature osservate quando il plasma si trasforma in materia ordinaria. Nell'intervallo di massa più elevata, invece, la temperatura media si è attestata intorno a 3,25 trilioni di Kelvin, rappresentando la fase iniziale e più calda del plasma.
Questo contrasto suggerisce che i dielettron di bassa massa vengono prodotti nelle fasi successive dell'evoluzione del plasma, mentre quelli di massa elevata provengono dal suo stadio iniziale, più energetico. "Questo lavoro riporta temperature medie del QGP in due stadi distinti dell'evoluzione e a molteplici potenziali chimici barionici, segnando un avanzamento significativo nella mappatura delle proprietà termodinamiche del QGP", ha dichiarato Geurts.
La misurazione precisa delle temperature in diversi momenti dell'evoluzione del plasma fornisce dati sperimentali cruciali per completare il cosiddetto "diagramma di fase della QCD", uno strumento essenziale per mappare il comportamento della materia fondamentale sottoposta a calore e densità immense. Queste condizioni sono simili a quelle esistite nei primi istanti dopo il Big Bang e sono presenti in fenomeni cosmici estremi come le stelle di neutroni. Secondo Geurts, armati di questa mappa termica, i ricercatori possono ora raffinare la comprensione della durata del QGP e delle sue proprietà di trasporto, migliorando così la conoscenza dell'universo primordiale.
Hanno contribuito allo studio l'ex ricercatore postdottorale della Rice University Zaochen Ye, ora presso la South China Normal University, l'ex studente Yiding Han, attualmente al Baylor College of Medicine, e lo studente di dottorato Chenliang Jin. La ricerca è stata supportata dall'Ufficio della Scienza del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.
