Ginevra, Svizzera – In una scoperta che potrebbe riscrivere interi capitoli dei libri di fisica, i ricercatori dell’esperimento ALICE (A Large Ion Collider Experiment) presso il Large Hadron Collider (LHC) del CERN hanno annunciato di aver osservato, per la prima volta in modo inequivocabile, una delle firme più caratteristiche della materia primordiale in collisioni tra particelle sorprendentemente leggere: i protoni. Questo risultato, pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature Communications, dimostra che il plasma di quark e gluoni (QGP), uno stato della materia esistito solo per pochi milionesimi di secondo dopo il Big Bang, può essere creato in condizioni molto meno estreme di quanto si pensasse. La scoperta vede un contributo fondamentale da parte della comunità scientifica italiana, con numerosi ricercatori dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in prima linea in questa avvincente indagine cosmica.
Un Tuffo nella “Zuppa” Primordiale dell’Universo
Per comprendere la portata di questa scoperta, è necessario fare un passo indietro di quasi 14 miliardi di anni. Nei primissimi istanti dopo il Big Bang, l’Universo era un luogo incredibilmente caldo e denso, una sorta di “zuppa” ribollente di particelle elementari. In questa fase, le particelle che oggi conosciamo come protoni e neutroni non esistevano ancora nella loro forma attuale. I loro costituenti fondamentali, i quark, e le particelle che mediano la forza nucleare forte che li tiene insieme, i gluoni, si muovevano liberamente in uno stato della materia noto come plasma di quark e gluoni. Si ritiene che l’Universo sia rimasto in questo stato per circa 20-30 microsecondi, prima di raffreddarsi a sufficienza da permettere a quark e gluoni di “confinarsi” negli adroni (come protoni e neutroni), le particelle che compongono la materia ordinaria che osserviamo oggi.
Fino ad oggi, gli scienziati erano in grado di ricreare questa materia primordiale per frazioni infinitesimali di secondo solo facendo collidere nuclei atomici pesanti, come quelli di piombo, a energie elevatissime nell’LHC. Queste collisioni generano temperature oltre 100.000 volte superiori a quella del centro del Sole, “sciogliendo” di fatto protoni e neutroni e liberando i loro costituenti. L’ipotesi prevalente era che solo la tremenda energia e densità raggiunte in questi scontri tra “pesi massimi” potessero innescare la transizione di fase verso il plasma di quark e gluoni.
La Sorpresa nelle Collisioni Leggere: il “Flusso Anisotropo”
La nuova ricerca di ALICE ribalta questa convinzione. Analizzando i dati delle collisioni tra protoni e tra protoni e nuclei di piombo, i fisici hanno osservato un fenomeno noto come “flusso anisotropo”. In pratica, le particelle prodotte dopo la collisione non vengono emesse in modo uniforme in tutte le direzioni, come ci si potrebbe aspettare da una semplice esplosione, ma mostrano delle direzioni preferenziali, un comportamento collettivo. Questo “flusso” è considerato una delle prove più evidenti della formazione di un mezzo denso e interagente come il plasma di quark e gluoni, che si espande e si raffredda come un fluido quasi perfetto.
Ciò che rende la scoperta ancora più solida è l’osservazione che questo flusso dipende dal numero di quark che compongono le particelle finali. Le particelle formate da tre quark (i barioni, come i protoni) mostrano un flusso più intenso rispetto a quelle composte da un quark e un antiquark (i mesoni). Questo schema è spiegato dal meccanismo della coalescenza dei quark: nel plasma in espansione, i quark vicini che si muovono collettivamente tendono a combinarsi per formare particelle più grandi. I barioni, avendo un quark in più, ereditano una spinta maggiore da questo moto collettivo. “Questa è la prima volta che osserviamo questo schema di flusso per un ampio intervallo di impulso e per molteplici specie di particelle in un sottoinsieme di collisioni protoniche in cui viene prodotto un numero insolitamente elevato di particelle”, ha affermato David Dobrigkeit Chinellato, coordinatore della fisica dell’esperimento ALICE. “I nostri risultati supportano l’ipotesi che un sistema di quark in espansione sia presente anche quando le dimensioni del sistema di collisione sono piccole”.
Implicazioni e Prospettive Future: le Collisioni con Ossigeno
La conferma che il plasma di quark e gluoni possa formarsi anche in sistemi piccoli come quelli generati dalle collisioni di protoni ha profonde implicazioni per la nostra comprensione della cromodinamica quantistica (QCD), la teoria che descrive l’interazione forte. Suggerisce che la transizione verso questo stato primordiale della materia potrebbe essere un fenomeno più universale e meno dipendente dalle dimensioni del sistema di quanto si credesse. Questo apre nuove strade per studiare le proprietà di questo affascinante stato della materia in condizioni diverse e con maggiore precisione.
I ricercatori guardano ora con grande interesse ai dati raccolti nel 2025, durante una speciale sessione di presa dati dell’LHC in cui sono stati fatti collidere per la prima volta nuclei di ossigeno. L’ossigeno, con un numero di protoni e neutroni intermedio tra il singolo protone e il pesante nucleo di piombo, rappresenta un “ponte” ideale per studiare in dettaglio la transizione tra i due regimi di collisione. “Ci aspettiamo che, con le collisioni di ossigeno registrate nel 2025, che colmano il divario tra le collisioni di protoni e quelle di piombo, otterremo nuove intuizioni sulla natura e l’evoluzione del QGP attraverso diversi sistemi di collisione”, ha dichiarato Kai Schweda, portavoce di ALICE. Questi esperimenti potrebbero rivelare con precisione a partire da quale dimensione e densità di energia la “zuppa” primordiale inizia a manifestare le sue proprietà collettive, offrendo un quadro ancora più completo dei primi, fugaci istanti della vita del nostro Universo.