Gli scienziati hanno riportato nuovi indizi per risolvere un enigma cosmico: come il plasma di quark-gluoni – il fluido perfetto della natura – si è evoluto in materia. Pochi milionesimi di secondo dopo il Big Bang, l'universo primordiale assunse uno strano nuovo stato: una zuppa subatomica chiamata plasma di quark-gluoni. Solo 15 anni fa, un team internazionale che comprende ricercatori del gruppo Relativistic Nuclear Collisions (RNC) del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ha scoperto che questo plasma di quark-gluoni è un fluido perfetto – in cui quark e gluoni, gli elementi costitutivi di protoni e neutroni, sono così fortemente accoppiati che scorrono quasi senza attrito.
Gli scienziati hanno postulato che getti di particelle altamente energetici volano attraverso il plasma di quark-gluoni – una goccia delle dimensioni del nucleo di un atomo– a velocità superiori alla velocità del suono, e che come un jet che vola veloce, emettono un boom supersonico chiamato onda di Mach. Per studiare le proprietà di queste particelle a getto, nel 2014 un team guidato da scienziati del Berkeley Lab ha aperto la strada a una tecnica di imaging a raggi X atomica chiamata tomografia a getto. I risultati di questi studi seminali hanno rivelato che questi getti si disperdono e perdono energia mentre si propagano attraverso il plasma di quark-gluoni.
Ma dove è iniziato il viaggio delle particelle a getto all'interno del plasma di quark-gluoni? Un segnale d'onda Mach più piccolo chiamato scia di diffusione, hanno previsto gli scienziati, rivelerebbe dove guardare. Ma mentre la perdita di energia era facile da osservare, l'onda di Mach e la conseguente scia di diffusione sono rimasti a lungo sfuggenti.
Ora, in uno studio pubblicato di recente sulla rivista Physical Review Letters, gli scienziati del Berkeley Lab riportano nuovi risultati da simulazioni di modelli che dimostrano che un'altra tecnica che hanno inventato chiamata tomografia a getto 2D può aiutare i ricercatori a localizzare il segnale spettrale della scia di diffusione.
"Il suo segnale è così piccolo che è come cercare un ago in un pagliaio di 10.000 particelle. Per la prima volta, le nostre simulazioni mostrano che si può usare la tomografia a getto 2D per raccogliere i piccoli segnali della scia di diffusione nel plasma di quark-gluoni ", ha detto il leader dello studio Xin-Nian Wang, uno scienziato senior della divisione di scienze nucleari del Berkeley Lab che faceva parte del team internazionale che ha inventato la tecnica di tomografia a getto 2D.
Per trovare quell'ago supersonico nel pagliaio di quark-gluoni, il team del Berkeley Lab ha eliminato centinaia di migliaia di eventi di collisione piombo-nuclei simulati al Large Hadron Collider (LHC) al CERN e eventi di collisione oro-nuclei al Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) al Brookhaven National Laboratory.
Il segnale supersonico delle particelle a getto ha una forma unica che assomiglia a un cono - con una scia di diffusione che si trascina dietro, come increspature d'acqua sulla scia di una barca in rapido movimento. Una volta che la scia di diffusione si trova nel plasma di quark-gluoni, è possibile distinguere il suo segnale dalle altre particelle sullo sfondo.