Frantumando insieme le particelle, i fisici potrebbero aver creato la più piccola goccia di fluido nell'universo - una perlina di dimensioni protoniche di zuppa calda e primordiale.
Questa zuppa di particelle è plasma di quark-gluone, il fluido che riempiva il cosmo durante i primi microsecondi dopo il Big Bang. È a trilioni di gradi, e con quasi nessun attrito, si muove rapidamente alla velocità della luce.
"È il fluido più estremo che conosciamo", ha detto Jacquelyn Noronha-Hostler, un fisico teorico alla Rutgers University nel New Jersey.
I fisici si sono scontrati con particelle per creare prima questa zuppa primordiale e alcuni esperimenti hanno suggerito che alcune collisioni producono goccioline piccole quanto i protoni. In un nuovo articolo pubblicato il 10 dicembre sulla rivista Nature Physics, i fisici del Pionieristico esperimento di interazione nucleare ad alta energia (PHENIX) hanno riportato quali potrebbero essere le prove più convincenti che tali goccioline possano essere così minuscole.
"Ci sta davvero facendo ripensare alla nostra comprensione delle interazioni e delle condizioni di questo tipo di flusso di goccioline", ha affermato Jamie Nagle, un fisico dell'Università del Colorado Boulder che ha analizzato i dati negli esperimenti più recenti. I risultati potrebbero aiutare i fisici a comprendere meglio il plasma a quark-gluone dell'universo primordiale e la natura dei fluidi.
"Significa che dobbiamo riscrivere la nostra conoscenza di cosa significhi essere fluidi", ha detto a Live Science Noronha-Hostler, che non faceva parte dei nuovi esperimenti.
Gli esperimenti sono stati condotti presso il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) presso il Brookhaven National Laboratory di New York, dove i fisici hanno creato il primo plasma di quark-gluon nel 2005 sbattendo insieme nuclei atomici. Il quark è la particella fondamentale che compone i protoni e i neutroni, che a loro volta formano i nuclei atomici. I gluoni sono le particelle che trasportano forza che tengono insieme i quark in un protone o neutrone attraverso la forza forte, una delle forze fondamentali della natura.
I fisici in precedenza avevano ipotizzato che le goccioline di plasma di quark-gluone dovessero essere relativamente grandi, ha detto Noronha-Hostler. Affinché una goccia scorresse come un fluido, pensava, l'oggetto doveva essere molto più grande delle sue particelle costituenti. Una tipica goccia d'acqua, ad esempio, è molto più grande delle sue molecole d'acqua. D'altra parte, un piccolo gruppo di, diciamo, tre o quattro singole molecole d'acqua non si comporterebbe come un liquido, pensavano i ricercatori.
Quindi, per rendere le goccioline di plasma di quark-gluone le più grandi possibili, i fisici della RHIC hanno sbattuto insieme grandi nuclei atomici come l'oro, che producono goccioline di dimensioni simili - circa 10 volte più grandi di un protone. Ma i fisici hanno scoperto che quando si sono scontrati con particelle più piccole, hanno scoperto inaspettatamente accenni di goccioline di fluido delle dimensioni di un protone - ad esempio, nelle collisioni tra protoni avvenute nel Large Hadron Collider vicino a Ginevra.
Per scoprire se queste minuscole goccioline potessero effettivamente esistere, i fisici che facevano funzionare il rivelatore PHENIX contro i RHIC sparavano protoni; nuclei del deuterone, che contengono ciascuno un protone e un neutrone; e nuclei di elio-3 a nuclei d'oro. Se queste collisioni formassero goccioline fluide di plasma di quark-gluone, ragionano gli scienziati, le goccioline avrebbero forme diverse a seconda di ciò che colpiscono i nuclei d'oro. Colpire un protone creerebbe una goccia rotonda; un deuterone produrrebbe una goccia ellittica e l'elio-3 formerebbe una goccia triangolare.
Una tale goccia vivrebbe solo per 100 miliardi di miliardesimi di secondo prima che il calore intenso causasse l'espansione della goccia così rapidamente da esplodere in una raffica di altre particelle.
Misurando questi detriti di particelle, i ricercatori hanno ricostruito la gocciolina originale. Hanno cercato forme ellittiche e triangolari in ciascuno dei tre tipi di collisioni, effettuando sei misurazioni totali. Gli esperimenti sono durati diversi anni e alla fine i ricercatori hanno rilevato le forme rivelatrici, suggerendo che le collisioni hanno creato goccioline di dimensioni protoniche.
"Con un set completo di sei misurazioni, è difficile che ci sia una spiegazione diversa, tranne per l'immagine delle goccioline", ha detto Nagle a Live Science.
Mentre i risultati sono convincenti, Noronha-Hostler ha detto che non è ancora del tutto sicura. I ricercatori hanno ancora bisogno di misurazioni migliori dei getti che esplodono dalle collisioni di particelle. Se si formassero le minuscole goccioline di fluido, gli impatti tra i nuclei d'oro e i protoni, i deuteroni o il heilum-3 avrebbero dovuto produrre particelle ad alta velocità che formavano getti, che poi sarebbero esplosi attraverso le goccioline di quark-gluon appena create. Mentre il getto sfrecciava attraverso il fluido, avrebbe perso energia e rallentato, come un proiettile che viaggiava attraverso l'acqua.
Ma finora, le misurazioni mostrano che i getti non hanno perso tutta l'energia prevista. Esperimenti futuri, come la versione aggiornata di PHENIX che dovrebbe essere lanciata nel 2023, dovrebbero aiutare i fisici a capire meglio cosa sta succedendo e determinare con certezza se possano esistere goccioline così piccole, ha detto Noronha-Hostler.
