I fisici hanno creato tre diverse forme di macchie di plasma di quark-gluone usando il Relativistic Heavy Ion Collider presso il Brookhaven National Laboratory. Questo plasma è un tipo esotico di materia che ha riempito l'universo nei primi millisecondi dopo il Big Bang.
(Immagine: © Javier Orjuela Koop)
Per la prima frazione di secondo dopo il Big Bang, l'universo non era altro che una "zuppa" estremamente calda di quark e gluoni - particelle subatomiche che sarebbero diventate i mattoni di protoni e neutroni. Ora, 13,8 miliardi di anni dopo, gli scienziati hanno ricreato questa zuppa primordiale in un laboratorio.
Usando il Relativistic Heavy Ion Collider presso il Brookhaven National Laboratory di Upton, New York, i fisici hanno generato minuscole gocce di questo plasma di quark-gluon rompendo insieme diverse combinazioni di protoni e neutroni. Durante questi incidenti, i ricercatori hanno scoperto che i quark e i gluoni che costituivano i protoni e i neutroni si sono liberati e si sono comportati come un liquido.
A seconda della combinazione di particelle che i ricercatori hanno fatto a pezzi, i piccoli globi di plasma simili a liquidi formavano una delle tre forme geometriche distinte: cerchi, ellissi o triangoli. [Immagini: Peering Back to the Big Bang & Early Universe]
"Il nostro risultato sperimentale ci ha portato molto più vicini a rispondere alla domanda su quale sia la più piccola quantità di materia di universo primordiale che possa esistere", ha dichiarato Jamie Nagle, un fisico dell'Università del Colorado Boulder che ha partecipato allo studio.
I plasmi di quark-gluone furono creati per la prima volta a Brookhaven nel 2000, quando i ricercatori fecero a pezzi i nuclei degli atomi d'oro. Quindi, gli scienziati del Large Hadron Collider a Ginevra hanno sfidato le aspettative quando hanno creato il plasma rompendo due protoni insieme. "Ciò è stato sorprendente perché la maggior parte degli scienziati ha ipotizzato che i protoni solitari non fossero in grado di fornire energia sufficiente per produrre qualsiasi cosa potesse fluire come un fluido", hanno affermato i funzionari della UC Boulder.
Nagle e i suoi colleghi hanno deciso di testare le proprietà fluide di questo stato esotico della materia creando piccoli globi. Se il plasma si comporta davvero come un liquido, i piccoli globi dovrebbero essere in grado di mantenere la loro forma, i ricercatori hanno predetto.
"Immagina di avere due goccioline che si stanno espandendo nel vuoto", ha detto Nagle. "Se le due goccioline sono molto vicine tra loro, quindi mentre si espandono, si scontrano e si spingono l'una contro l'altra, e questo è ciò che crea questo schema."
"In altre parole, se lanci due pietre in uno stagno ravvicinato, le increspature di quegli impatti fluiranno l'una nell'altra, formando un modello che ricorda un'ellisse", hanno detto i funzionari dell'UC Boulder. "Lo stesso potrebbe essere vero se si spezzasse una coppia protone-neutrone, chiamata deuterone, in qualcosa di più grande ... Allo stesso modo, un trio protone-protone-neutrone, noto anche come atomo di elio-3, potrebbe espandersi in qualcosa di simile a un triangolo ".
Ramificando queste diverse combinazioni di protoni e neutroni in atomi d'oro vicino alla velocità della luce, i ricercatori sono stati in grado di fare esattamente quello che speravano: creare chiazze ellittiche e triangolari di plasma di quark-gluone. Quando gli scienziati hanno fracassato un singolo protone nell'atomo d'oro, il risultato è stato una goccia circolare della zuppa primordiale.
Queste goccioline di breve durata di plasma di quark-gluone raggiunsero temperature di trilioni di gradi Celsius. I ricercatori pensano che studiare questo tipo di materia "potrebbe aiutare i teorici a comprendere meglio come il plasma originale di quark-gluone dell'universo si è raffreddato per millisecondi, dando vita ai primi atomi esistenti", hanno detto i funzionari dell'UC Boulder.
I risultati di questo studio sono stati pubblicati il 10 dicembre sulla rivista Nature Physics.
