STAR Highlights II: Study of Small Systems and the Search for New, Exotic Physics

Per un quarto di secolo, gli scienziati hanno fatto scontrare pesanti nuclei atomici quasi alla velocità della luce per ricreare le condizioni che esistevano appena un milionesimo di secondo dopo il Big Bang. Questo ambiente estremo, creato all'interno di un enorme acceleratore di particelle noto come Relativistic Heavy Ion Collider, è abbastanza caldo e denso da fondere i protoni e i neutroni che compongono la materia ordinaria. Quando queste particelle si fondono, formano un nuovo stato della materia chiamato plasma di quark e gluoni, una zuppa di particelle fondamentali che fluisce con quasi nessuna frizione. Studiando come questo plasma si comporta, i ricercatori sperano di comprendere le forze fondamentali che tengono insieme l'universo. Una domanda chiave per i fisici è stata determinare esattamente quanto piccola possa essere una collisione prima che questo stato di materia esotico e fluido smetta di formarsi. Il plasma richiede una collisione massiccia tra due atomi d'oro pesanti, o può emergere dalla collisione molto più piccola di un singolo protone con un nucleo pesante?

Un recente rapporto della collaborazione STAR, un gruppo di ricerca che opera un grande rivelatore al collider, offre una visione completa di venticinque anni di dati per rispondere a queste domande ed esplorare altri misteri del mondo subatomico. Il team ha analizzato collisioni che coinvolgono decine di diverse combinazioni di specie atomiche, spaziando dai minuscoli protoni agli atomi di uranio pesanti, e attraverso un'ampia gamma di livelli energetici. Il loro lavoro conferma che la firma di questo plasma caldo e fluido appare anche in sistemi di collisione molto piccoli, a patto che le condizioni siano giuste. Hanno anche scoperto nuovi modi per misurare la struttura interna dei nuclei atomici e hanno trovato prove di particelle esotiche che esistono solo per un momento fugace prima di decadere.

Uno dei risultati più significativi riguarda le dimensioni del sistema necessario per creare questo plasma. Per anni, gli scienziati hanno dibattuto se il comportamento fluido osservato nelle grandi collisioni fosse un vero stato della materia o solo una collezione di interazioni indipendenti tra particelle. Il team STAR ha investigato questo aspetto facendo scontrare nuclei di ossigeno con altri nuclei di ossigeno, un sistema molto più piccolo delle collisioni oro-oro utilizzate in passato. Hanno cercato diversi segni distinti che un plasma si fosse formato. Hanno osservato che le particelle ad alta energia venivano rallentate mentre passavano attraverso il mezzo, un fenomeno noto come jet quenching. Hanno anche visto che la produzione di certe particelle pesanti era soppressa, suggerendo che venissero distrutte dall'intenso calore. Inoltre, la radiazione emessa dalla collisione indicava una temperatura coerente con un plasma caldo, e la produzione di particelle strane aumentava in un modo che corrispondeva alle previsioni per un mezzo fluido. Quando hanno confrontato queste collisioni di ossigeno con collisioni che coinvolgevano il deuterio, un isotopo leggero dell'idrogeno, hanno scoperto che il comportamento fluido dipendeva dalla forma e dalla struttura interna dei nuclei in collisione, confermando che il segnale deriva da una risposta collettiva della materia piuttosto che dal caso.

Oltre al plasma stesso, i ricercatori hanno utilizzato queste collisioni per studiare l'esistenza fugace di nuclei atomici instabili. Nelle collisioni a bassa energia, hanno misurato con successo la produzione di isotopi del litio che sono così instabili da decadere quasi istantaneamente. Tracciando il modo in cui queste particelle a breve durata interagivano con la materia densa circostante, il team è stato in grado di testare le teorie su come i nuclei atomici siano costruiti da pezzi più piccoli. Hanno scoperto che le particzioni più brevi erano prodotte in numeri inferiori rispetto alle loro controparti più stabili, un risultato che riflette direttamente la competizione tra la formazione di questi nuclei e la loro distruzione da parte dell'ambiente circostante. In una ricerca separata di materia esotica, il team ha cercato atomi muonici, strutture rare in cui un muone, un parente pesante dell'elettrone, orbita attorno a un adrone. Hanno trovato un segnale chiaro per questi atomi nei detriti della collisione, fornendo un nuovo metodo per studiare la produzione di muoni "soft" che altrimenti sarebbero impossibili da rilevare direttamente.

Lo studio ha anche approfondito lo spin, o rotazione intrinseca, delle particelle, una proprietà che rivela segreti profondi sul vuoto quantistico. Il team ha misurato l'allineamento dello spin dei mesoni phi, un tipo di particella composta da un quark strange e dalla sua antiparticella. Analizzando la distribuzione bidimensionale completa delle particelle in cui decadono, hanno rilevato un segnale non nullo negli elementi fuori diagonale della matrice di spin. Ciò indica che gli spin del quark e dell'antiquark sono correlati in un modo specifico. Per comprendere l'origine di questa correlazione, l'hanno confrontata con le misurazioni di coppie lambda-antilambda in collisioni di protoni, dove hanno trovato una forte correlazione che suggerisce che il vuoto quantistico imprimi la propria struttura sulle particelle mentre vengono create. Il team sta ora lavorando per vedere se questa correlazione sopravvive nel plasma caldo delle collisioni tra ioni pesanti, il che direbbe loro se l'estremo calore sciolga la struttura del vuoto o se essa persista.

Infine, i ricercatori hanno sviluppato nuovi modi per misurare il flusso della materia creata in queste collisioni. Hanno esaminato come il momento medio delle particelle fluttui da una collisione all'altra, il che rivela come cambia la dimensione del fireball iniziale. Queste misurazioni hanno permesso loro di stimare la velocità del suono all'interno del plasma di quark e gluoni, un valore che descrive quanto il mezzo sia rigido o comprimibile. I loro risultati suggeriscono che la velocità del suono cambi con la temperatura in un modo che corrisponde ai calcoli teorici della cromodinamica quantistica su reticolo. Hanno anche scoperto che il modo in cui le particelle fluiscono dipende dalla loro massa, con le particelle più pesanti che acquisiscono più momento dal fluido in espansione, un modello che rimane valido in tutti i diversi sistemi di collisione studiati. Questa mappatura dettagliata delle proprietà del plasma fornisce un quadro più chiaro di come l'universo si sia comportato nei suoi primi istanti e prepara la strada per future scoperte nei decenni a venire.