L'origine dell'universo si nasconde nei dati delle collisioni di particelle?

Yen-Jie Lee, professore associato di fisica al MIT, è alla ricerca di modelli e interazioni all'estrema conseguenza delle collisioni di ioni pesanti che potrebbero dirci qualcosa su come l'universo è nato.

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a cura di Alessandro Crea

Yen-Jie Lee è arrivato al MIT come studente laureato nel 2006, è stato un po' uno shock culturale. L'aspirante fisico delle particelle aveva studiato fisica alla National Taiwan University prima che la sua carriera prendesse una pausa nelle montagne boscose di Taiwan. Lì, ha lavorato come tenente del corpo dei marines per adempiere al servizio militare richiesto dalla nazione. Ricorda ancora il crepitio assordante delle esercitazioni di artiglieria e la pressione inflessibile della vita militare quotidiana.

Verso la fine del suo servizio, Lee ha fatto domanda per programmi di dottorato, tra cui diversi negli Stati Uniti. Quando visitò il MIT, sentì un'immediata parentela con il professore di fisica Wit Busza. Come studente laureato nel gruppo di Busza, Lee ha avuto l'opportunità di andare a Ginevra durante un momento cruciale nella fisica delle particelle.

Lì, gli scienziati si stavano preparando ad accendere il Large Hadron Collider, il più grande e potente acceleratore di particelle del mondo. Si prevedeva che le collisioni di particelle prodotte da LHC producessero condizioni simili all'universo primordiale e forse fenomeni completamente nuovi e imprevedibili. Lee si trovò al centro del team di analisi, dove imparò rapidamente a comunicare con altri scienziati, nella lingua inglese e nelle equazioni della fisica. Alla fine ha contribuito a misurare e interpretare alcune delle prime collisioni dell'LHC.

"C'erano diverse migliaia di collaboratori, tutti erano interessati a questa fisica e io sono stato uno dei primi a capire i dati", dice Lee. Fin da quei primi giorni, Lee ha continuato a cercare indizi sugli inizi dell'universo, utilizzando i dati di LHC. Al MIT, dove ora è professore associato di fisica, è alla ricerca di modelli e interazioni all'estrema conseguenza delle collisioni di particelle che potrebbero dirci qualcosa su come l'universo è nato. Questi esperimenti potrebbero anche rivelare il funzionamento interno di altri ambienti estremi, come le stelle di neutroni.

"Ogni volta che raccogliamo una piccola informazione, capiamo un po' di più sull'universo primordiale", spiega. "Questo mi fa venire voglia di sapere ancora di più." Lee ha lavorato come stagista all'esperimento Belle, un esperimento di fisica delle particelle che è uscito dall'acceleratore di particelle KEKB a Tsukuba, in Giappone. L'acceleratore è stato progettato per far collidere gli elettroni con i positroni, le controparti dell'antimateria degli elettroni. Mentre si scontravano, elettroni e positroni si annichilivano in una pioggia di sottoparticelle. Gli scienziati, tra cui Lee, hanno cercato segni di particelle esotiche e hanno monitorato il decadimento di particelle rare in seguito all'annientamento.

"Mi sono divertito molto con questo sistema molto semplice", afferma Lee, che ha basato le sue tesi di laurea e master sui dati dell'esperimento Belle. "Mi ha fatto venire voglia di imparare la legge della natura e se possiamo trovare nuova fisica e nuovi fenomeni che coinvolgono il rilevamento di particelle".

Quando Lee è andato al MIT e si è unito a Busza per lavorare all'LHC, l'acceleratore si stava preparando a far collidere ioni pesanti per produrre un mix di particelle molto più complicato ed esotico delle collisioni tra elettroni e positroni. "Le collisioni con ioni pesanti creano un ambiente di circa 5 trilioni di gradi e possiamo osservare come questo sistema si raffredda", spiega Lee. "È fondamentalmente lo stesso percorso dell'universo primordiale, 10 microsecondi dopo il Big Bang".

Lee era desideroso di sondare le ricadute delle collisioni di ioni pesanti, anche se all'epoca gli esperimenti iniziali comportavano collisioni meno complicate tra protoni. Lee è stato posizionato nel team di ricerca per scrivere il primo documento di fisica che riporta i risultati di questi esperimenti iniziali protone-protone.

L'LHC ha iniziato a eseguire i suoi primi esperimenti di ioni pesanti verso la fine del dottorato di ricerca di Lee, ed è stato in grado di analizzare alcuni dei primi dati di queste corse tanto attese. Attraverso queste analisi, ha scoperto quark in rapido movimento prodotti nelle collisioni, che strisciavano attraverso il plasma risultante, in getti.

"È come guardare un proiettile sparato attraverso l'acqua", afferma Lee. "Possiamo vedere la scia che segue il proiettile e possiamo usarla per conoscere la propagazione del suono dell'acqua. È lo stesso con questi getti, dove possiamo usare i quark per conoscere il suono dell'universo primordiale".

Nel 2013, Lee ha accettato l'offerta di unirsi alla facoltà di fisica del MIT come membro del Relativistic Heavy Ion Group, dove ha continuato a condurre analisi di dati sugli ioni pesanti dall'LHC e sta sviluppando nuove tecniche per cercare particelle esotiche e nuovi fenomeni imprevedibili.