Un gruppo di ricerca guidato dal fisico Frank Geurts della Rice University ha compiuto un passo decisivo nello studio delle condizioni dell'universo primordiale, riuscendo a misurare con precisione la temperatura del plasma di quark e gluoni in diversi momenti della sua evoluzione. Si tratta di uno stato della materia che si ritiene esistesse pochi microsecondi dopo il Big Bang, la teoria scientifica che descrive l'origine e l'evoluzione del cosmo. I risultati, pubblicati sulla rivista Nature Communications, offrono finalmente dati sperimentali cruciali per completare il diagramma di fase della cromodinamica quantistica, essenziale per comprendere il comportamento della materia fondamentale in condizioni di calore e densità estreme.
La sfida principale che gli scienziati hanno affrontato riguardava la misurazione della temperatura in condizioni estreme dove l'accesso diretto è impossibile. Le misurazioni precedenti erano compromesse da diversi problemi: non era chiaro se si stesse effettivamente misurando la temperatura della fase del plasma di quark e gluoni o se i risultati fossero distorti da effetti simili a quello Doppler causati dai grandi campi di velocità che caratterizzano questo sistema in rapida espansione. Il plasma, che raggiunge temperature superiori ai trilioni di gradi Kelvin, necessitava di un termometro che potesse registrare valori in tempo reale senza interferire con il sistema stesso.
La soluzione è arrivata dall'utilizzo di coppie termiche di elettroni e positroni emesse durante collisioni ultrarelativistiche di ioni pesanti al Relativistic Heavy Ion Collider presso il Brookhaven National Laboratory di New York. Geurts, professore di fisica e astronomia e portavoce della collaborazione RHIC STAR, ha spiegato che queste emissioni hanno permesso di determinare quanto fosse caldo il plasma e quando ha iniziato a raffreddarsi, fornendo una visione diretta delle condizioni esistenti pochi microsecondi dopo l'inizio dell'universo. A differenza dei quark, che possono interagire con il plasma stesso, i leptoni lo attraversano praticamente indenni, trasportando informazioni non distorte sul loro ambiente.
Il team di ricerca ha sviluppato un apparato di rilevamento raffinato presso il RHIC, calibrando i sistemi per isolare coppie di leptoni a basso momento. La tecnica si basa sull'ipotesi che la distribuzione energetica di queste coppie fornisca una misurazione diretta della temperatura del plasma. Questo metodo, definito nei dibattiti teorici come "termometro penetrante", integra i dati di emissione lungo l'intero ciclo di vita del plasma, producendo un profilo di temperatura medio. L'impresa ha richiesto una sensibilità e una fedeltà dei dati senza precedenti per individuare queste rare coppie tra una marea di detriti di particelle.
Le scoperte hanno rivelato due temperature medie distinte a seconda dell'intervallo di massa delle coppie di dielettroni rilevate. Nella regione a bassa massa, gli scienziati hanno registrato una temperatura di circa 2,01 trilioni di Kelvin, in linea con i modelli teorici e coerente con le temperature di congelamento ricavate da sonde adroniche. Nella regione di massa superiore delle coppie, invece, la temperatura risulta significativamente più alta, circa 3,25 trilioni di Kelvin. Questa differenza indica che la radiazione termica che crea i dielettroni a bassa massa viene emessa prevalentemente nelle fasi più tarde, vicino alla transizione di fase, mentre quella dalla fascia di massa superiore ha origine nello stadio iniziale più caldo dell'evoluzione del plasma.
I dati ottenuti rappresentano temperature medie del plasma in due stadi evolutivi distinti e a molteplici potenziali chimici barionici, segnando un avanzamento significativo nella mappatura delle proprietà termodinamiche del QGP. Per comprendere la portata di questa ricerca, è utile considerare che si tratta di condizioni analoghe non solo a quelle dell'universo primordiale, ma anche a quelle presenti in fenomeni cosmici attuali come le stelle di neutroni. La possibilità di misurare con precisione la temperatura in questi diversi momenti fornisce dati sperimentali fondamentali per completare il quadro complessivo.
Geurts ha sottolineato che questo lavoro segna molto più di una semplice misurazione: inaugura una nuova era nell'esplorazione della frontiera più estrema della materia. Con questa mappa termica a disposizione, i ricercatori possono ora affinare la comprensione della durata di vita del plasma di quark e gluoni e delle sue proprietà di trasporto, migliorando così la conoscenza dell'universo primordiale. Le proprietà di questo stato deconfinato di quark e gluoni dipendono in larga misura dalla sua temperatura, e i metodi precedenti non avevano la risoluzione o il potere penetrante necessari per misurare le condizioni termiche interne senza essere influenzati dall'evoluzione di questo sistema in rapida espansione.
La ricerca ha dovuto superare limitazioni tecnologiche legate ai dati statistici e difficoltà nell'isolare i processi di fondo che potevano simulare segnali termici. Nonostante queste sfide, il team è riuscito a ottenere misurazioni precise che sbloccano l'impronta termica del plasma, consentendo di tracciare le emissioni di dileptoni per determinare l'evoluzione termica del sistema. Questo progresso rappresenta un contributo essenziale per mappare il comportamento della materia fondamentale in condizioni di calore e densità immense, condizioni che esistevano nei primi istanti dopo il Big Bang e che continuano a esistere in alcuni degli oggetti più estremi dell'universo osservabile.