Nel Large Hadron Collider del CERN, dove le collisioni tra protoni generano temperature superiori di oltre 100.000 volte a quelle del nucleo solare, si è risolto un enigma che sfidava la fisica nucleare da anni. Come possono esistere particelle delicate come i deuteroni in un inferno energetico che dovrebbe disintegrarle istantaneamente? Un team internazionale guidato dalla professoressa Laura Fabbietti della Technical University of Munich ha finalmente identificato il meccanismo che permette a questi fragili nuclei atomici di formarsi in condizioni tanto estreme, aprendo nuove prospettive sulla comprensione dell'interazione forte e sulla formazione della materia nell'universo primordiale.
Il deuterone rappresenta la forma più semplice di nucleo atomico composto, costituito da un solo protone e un solo neutrone legati da una forza relativamente debole. La sua struttura lo rende estremamente vulnerabile: in teoria, alle temperature che si raggiungono negli esperimenti del LHC, simili a quelle esistite frazioni di secondo dopo il Big Bang, dovrebbe disintegrarsi pressoché istantaneamente. Eppure gli strumenti di rilevazione continuavano ostinatamente a registrarne la presenza, insieme a quella dei loro gemelli di antimateria, gli antideuteroni. Questa apparente contraddizione ha richiesto un ripensamento radicale dei modelli di formazione nucleare.
La chiave del mistero, ora pubblicata sulla rivista Nature, risiede in un processo temporale precedentemente sottovalutato. I deuteroni non si formano durante la fase caldissima iniziale della collisione, come si ipotizzava, ma in un momento successivo, quando il plasma di quark e gluoni inizia a raffreddarsi. In questa finestra temporale cruciale, stati particellari ad altissima energia ma estremamente effimeri, denominati risonanze, decadono liberando protoni e neutroni. Questi nucleoni, una volta rilasciati in condizioni leggermente più "temperate", possono finalmente combinarsi per formare i deuteroni osservati.
L'esperimento ALICE (A Large Ion Collider Experiment), uno dei quattro grandi rivelatori installati lungo l'anello sotterraneo di 27 chilometri del LHC, è stato determinante per questa scoperta. Funzionando come una gigantesca fotocamera tridimensionale, ALICE è in grado di tracciare e ricostruire fino a 2000 particelle prodotte in una singola collisione protone-protone. Questa capacità di rilevazione ha permesso ai ricercatori di distinguere con precisione senza precedenti le diverse popolazioni di deuteroni e di risalire alla loro origine temporale nel processo di collisione.
Come sottolinea la professoressa Fabbietti, membro del cluster di eccellenza ORIGINS e del centro di ricerca collaborativa SFB1258, questo risultato rappresenta un passo importante verso una migliore comprensione dell'interazione forte, quella forza fondamentale che tiene insieme protoni e neutroni nei nuclei atomici. Le misurazioni dimostrano inequivocabilmente che i nuclei leggeri non si formano nella fase iniziale calda della collisione, ma successivamente, quando le condizioni sono diventate più fredde e stabili. Questa scoperta modifica profondamente i modelli teorici sulla nucleosintesi in ambienti estremi.
Le implicazioni di questa ricerca si estendono ben oltre i confini della fisica nucleare fondamentale. Il dottor Maximilian Mahlein, ricercatore presso la cattedra di Materia Adronica Densa e Strana della TUM School of Natural Sciences, evidenzia come nuclei atomici leggeri si formino anche nel cosmo, per esempio attraverso le interazioni dei raggi cosmici con la materia interstellare. Gli antideuteroni cosmici, in particolare, potrebbero fornire indizi preziosi sulla natura ancora misteriosa della materia oscura. Con questi nuovi risultati, i modelli di formazione di tali particelle possono essere perfezionati, permettendo interpretazioni più affidabili dei dati raccolti dai rivelatori spaziali.
La ricerca si inserisce nell'ambito del cluster di eccellenza ORIGINS, un'iniziativa congiunta della Technical University of Munich e della Ludwig-Maximilians-Universität München che studia come l'universo e le sue strutture abbiano avuto origine, dalle galassie e stelle fino ai pianeti e ai componenti fondamentali della vita. Nel maggio 2025 è stata approvata una seconda fase di finanziamento nell'ambito della Strategia di Eccellenza tedesca, testimoniando l'importanza strategica di queste indagini sulla nascita della materia.
Il prossimo obiettivo dei ricercatori è applicare questo modello a nuclei atomici più complessi e verificare se meccanismi simili operino nella formazione di altre particelle esotiche rilevate negli esperimenti del CERN. Comprendere i dettagli della nucleosintesi in condizioni estreme non solo illumina i primi istanti dopo il Big Bang, ma fornisce anche strumenti predittivi essenziali per interpretare i segnali astrofisici provenienti da ambienti cosmici ad alta energia, dalle collisioni di stelle di neutroni ai getti relativistici dei buchi neri.
