Observation of long-range collective flow in OO and NeNe collisions and implications for nuclear structure studies

Nel cuore profondo della materia, protoni e neutroni non sono sfere solide e immutabili. Sono collezioni dinamiche di particelle ancora più piccole chiamate quark e gluoni, tenute insieme da una forza così potente da sfidare l'intuizione quotidiana. In condizioni normali, queste particelle sono strettamente legate all'interno dei nuclei atomici. Tuttavia, i fisici hanno predetto da tempo che, se abbastanza energia viene concentrata in uno spazio minuscolo, questa forza di legame può essere vinta, facendo sì che la materia si sciolga in una zuppa fluida e ribollente nota come plasma di quark e gluoni. Si ritiene che questo stato della materia sia esistito solo per frazioni di secondo dopo il Big Bang, prima che l'universo si raffreddasse abbastanza per permettere la formazione degli atomi. Per studiare questo stato primordiale, gli scienziati fanno scontrare nuclei atomici pesanti a velocità vicine a quella della luce, ricreando quelle condizioni estreme in un ambiente controllato. Osservando come i detriti di queste collisioni si disperdano, i ricercatori possono inferire le proprietà del fluido che è esistito brevemente al centro dello scontro. Uno dei segni più rivelatori di questo comportamento fluido è un fenomeno chiamato flusso collettivo, in cui migliaia di particelle si muovono in schemi coordinati, come se facessero parte di un unico liquido in espansione piuttosto che di uno spruzzo caotico di frammenti individuali.

Per anni, questo comportamento fluido è stato osservato principalmente in collisioni che coinvolgevano atomi molto pesanti, come il piombo o l'oro. Questi nuclei massicci forniscono un grande volume di materia, rendendo la formazione del plasma di quark e gluoni più facile da rilevare e studiare. Ma rimaneva una domanda sospesa: questo stato fluido poteva formarsi anche in sistemi molto più piccoli? Esperimenti recenti hanno suggerito che anche le collisioni tra atomi più leggeri, o persino tra un singolo protone e un nucleo, potrebbero creare minuscole gocce di questo esotico plasma. La sfida con questi sistemi più piccoli è che sono più difficili da interpretare. In una collisione tra due atomi pesanti, la forma iniziale è approssimativamente sferica e ben compresa. Nelle collisioni più piccole, la disposizione iniziale delle particelle è più complessa e fluttua selvaggiamente da uno scontro all'altro, rendendo difficile separare gli effetti della forma iniziale dal comportamento del fluido stesso. Per risolvere questo enigma, un ricercatore si è rivolto a due ioni specifici e più leggeri: l'ossigeno e il neon. Questi due elementi sono vicini nella tavola periodica con masse simili, il che significa che dovrebbero comportarsi in modo simile in una collisione se contasse solo la loro dimensione. Tuttavia, la teoria suggerisce che abbiano forme interne differenti. Se un ricercatore riuscisse a misurare come questi due diversi ioni si comportano quando vengono fatti scontrare, potrebbe essere in grado di vedere come la struttura interna di un atomo influenzi la creazione del plasma di quark e gluoni.

Un ricercatore che utilizza il rivelatore CMS al Large Hadron Collider in Svizzera ha recentemente eseguito esattamente questo tipo di esperimento. Ha diretto fasci di ioni di ossigeno e ioni di neon l'uno contro l'altro, creando collisioni a un'energia nel centro di massa per coppia di nucleoni di 5,36 tera-elettronvolt. Nel corso della sua corsa, ha raccolto dati da milioni di collisioni ossigeno-ossigeno e centinaia di migliaia di collisioni neon-neon. Il rivelatore, uno strumento massiccio che circonda il punto di collisione, ha tracciato le traiettorie delle particelle cariche prodotte in questi scontri. Lo scienziato si è concentrato sulla misurazione di come queste particelle fossero distribuite in base all'angolo mentre si allontanavano dal punto di collisione. Nello specifico, ha cercato schemi nel flusso delle particelle su un ampio intervallo di angoli, cercando segni di flusso ellittico, dove le particelle preferiscono muoversi in una forma ovale, e flusso triangolare, dove si muovono secondo un modello a tre punte. Questi schemi sono le impronte digitali di un fluido che ha risposto alla forma iniziale della collisione.

I risultati sono stati chiari e significativi. Sia nelle collisioni di ossigeno che in quelle di neon, il ricercatore ha osservato forti prove di flusso collettivo. Le particelle non si sono disperse casualmente; al contrario, hanno esibito il moto coordinato caratteristico di un fluido. Ciò ha confermato che anche in questi sistemi più piccoli, che coinvolgono solo 16 o 20 nucleoni, si forma effettivamente una goccia di plasma di quark e gluoni. Il ricercatore ha misurato la forza di questi schemi di flusso in diversi scenari di collisione, che vanno da urti laterali dove i nuclei si sfiorano appena a collisioni frontali dove si schiantano completamente l'uno contro l'altro. Ha scoperto che i modelli di flusso cambiavano in un modo che corrispondeva alle aspettative per un fluido che risponde alla geometria dello scontro. Nelle collisioni più centrali, dove la sovrapposizione tra i due nuclei è maggiore, i modelli di flusso erano distinti e robusti.

Ciò che ha reso questo studio particolarmente potente è stato il confronto tra i due tipi di ioni. Poiché ossigeno e neon hanno masse simili, qualsiasi differenza nei loro schemi di flusso non poteva essere attribuita alla dimensione della collisione. Invece, le differenze dovevano derivare dalla struttura interna degli atomi stessi. I modelli teorici prevedono che il nucleo di ossigeno sia approssimativamente sferico, mentre il nucleo di neon abbia una forma più complessa e deformata, spesso descritta come avente una struttura a "birillo" a causa del modo in cui i suoi protoni e neutroni sono disposti. Quando il ricercatore ha confrontato i dati di flusso dei due sistemi, ha scoperto che il rapporto di flusso nelle collisioni di neon rispetto a quelle di ossigeno cambiava a seconda di quanto centrale fosse la collisione. Nelle collisioni più centrali, il flusso nelle collisioni di neon era significamente più forte rispetto all'ossigeno rispetto alle collisioni periferiche. Questa tendenza suggerisce che la forma deformata del nucleo di neon lasci un'impronta distinta sul fluido che crea. Più deformata è la forma iniziale, più pronunciati diventano i modelli di flusso.

Per testare questa interpretazione, il ricercatore ha confrontato i propri dati con avanzate simulazioni al computer che includevano le moderne teorie della struttura nucleare. Queste simulazioni utilizzavano calcoli dettagliati di come protoni e neutroni siano disposti all'interno dei nuclei di ossigeno e neon per prevedere l'aspetto delle collisioni. Le simulazioni che incorporavano queste specifiche forme deformate per il neon sono state in grado di riprodurre i trend generali osservati nei dati sperimentali. Esse hanno catturato con successo come i rapporti di flusso cambiassero da collisioni periferiche a centrali. Tuttavia, i modelli non erano perfetti; potevano descrivere il comportamento generale, ma non corrispondevano ai numeri esatti in ogni dettaglio. Ciò indica che, sebbene l'idea di base secondo cui la struttura nucleare influenza il fluido sia corretta, la comprensione teorica di come questi piccoli nuclei si comportano e interagiscono con il fluido è ancora in fase di perfezionamento. I dati hanno fornito nuovi, severi vincoli ai fisici impegnati nel miglioramento di questi modelli, costringendoli a tenere conto delle specifiche strutture interne di questi ioni leggeri.

Questo lavoro rappresenta un passo avanti significativo nella comprensione delle più piccole gocce di plasma di quark e gluoni. Dimostra che il comportamento collettivo della materia non è limitato ai nuclei atomici più grandi, ma si estende fino alla scala dell'ossigeno e del neon. Più importante ancora, mostra che le collisioni ad alta energia possono servire come microscopio per la struttura nucleare. Osservando come fluisce il fluido, uno scienziato può inferire la forma del nucleo che lo ha creato, una tecnica che offre un nuovo modo per studiare l'architettura fondamentale della materia. Le scoperte suggeriscono che la disposizione interna di protoni e neutroni non è solo uno sfondo statico, ma un partecipante attivo nella creazione degli stati più estremi di materia nell'universo. Sebbene i dettagli esatti delle forme nucleari e della loro dinamica dei fluidi siano ancora oggetto di studio, l'osservazione che questi piccoli sistemi si comportano come fluidi e che il loro comportamento è sensibile alla loro struttura interna è una conclusione ferma tratta dai dati. Lo studio apre un nuovo capitolo nell'esplorazione del plasma di quark e gluoni, provando che anche le collisioni più piccole possono rivelare le proprietà più grandiose dell'universo.