A Barnett-Like Effect in Relativistic Heavy-Ion Collisions

Nel vasto mondo ad alta energia della fisica subatomica, la materia si comporta in modi che sembrano sfidare la nostra esperienza quotidiana. Quando gli scienziati fanno scontrare nuclei atomici pesanti a velocità che si avvicinano a quella della luce, creano una fugace e caldissima zuppa di particelle nota come materia nucleare. Questo ambiente è così estremo che raggiunge temperature superiori a un trilione di gradi, molto più calde del nucleo di qualsiasi stella. All'interno di questa fiamma caotica ed in espansione, le particelle non si muovono solo casualmente; esse ruotano con un'immensa energia rotazionale, creando un fluido che gira più velocemente di quanto qualsiasi altra cosa sia mai stata prodotta in un laboratorio sulla Terra. Un principio fondamentale della fisica suggerisce che quando un tale fluido ruota, dovrebbe influenzare l'orientamento interno, o "spin", delle particelle al suo interno, proprio come un oggetto rotante può generare un campo magnetico. Questo fenomeno, noto come effetto Barnett, è stato osservato in solidi e fluidi rotanti per decenni, ma osservarlo accadere alla scala delle singole particelle, dove le regole della meccanica quantistica e della relatività si intrecciano, è rimasto una sfida profonda.

Un team di ricercatori ha ora fornito prove convincenti che questo effetto operi anche nelle collisioni più violente tra nuclei atomici, rivelando una sorprendente connessione tra la forma dell'esplosione e lo spin delle particelle che essa produce. Eseguendo sofisticate simulazioni al computer di collisioni di nuclei d'oro a varie energie, gli scienziati hanno scoperto che il grado in cui le particelle chiamate iperoni Lambda si allineano con la rotazione della fiamma è direttamente collegato a quanto sia inclinato la sorgente dell'esplosione. In termini più semplici, più la nuvola di materia in espansione si inclina rispetto alla direzione del fascio incidente, più forte diventa l'allineamento dello spin delle particelle. Questa scoperta, supportata dai dati sperimentali esistenti di importanti collaborazioni di fisica delle particelle, suggerisce che lo spin globale delle particelle non è solo il risultato di quanto velocemente il fluido ruota, ma è anche finemente regolato dalla geometria di inclinazione della materia nucleare stessa.

Per capire come ciò funzioni, immaginate la collisione di due nuclei pesanti come un urto di strisciata. Quando questi nuclei si mancano leggermente, non si limitano a rimbalzare; passano l'uno attraverso l'altro, creando una regione di intensa pressione e calore che si espande verso l'esterno. Poiché la collisione è decentrata, la risultante nuvola di materia trasporta una enorme quantità di momento angolare orbitale, una forma di energia rotazionale perpendicolare al piano della collisione. Questa rotazione crea una potente vorticità, o movimento rotatorio, all'interno del fluido. Secondo le leggi della fisica, questo movimento rotatorio dovrebbe trasferire parte della sua energia rotazionale allo spin intrinseco delle particelle, causando il loro allineamento in una direzione specifica. Tuttavia, a differenza di una trottola solida, questa fiamma nucleare è un sistema fluido in espansione con una struttura interna complessa. I ricercatori hanno scoperto che l'allineamento delle particelle non è uniforme; esso dipende fortemente dalla geometria della sorgente.

Il team ha utilizzato un modello dettagliato al computer per simulare queste collisioni in un ampio intervallo di energie, da 2,24 a 7,7 miliardi di elettronvolt. Hanno tracciato il comportamento degli iperoni Lambda, che sono particelle instabili che decadono in un modo che rivela la loro direzione di spin. Allo stesso tempo, hanno analizzato l'"angolo di inclinazione" della sorgente di emissione. Questa inclinazione è una misura di quanto la nuvola di materia si inclini rispetto alla direzione del fascio. Nelle collisioni a bassa energia, i nuclei si interpenetrano profondamente, creando una forma altamente inclinata. All'aumentare dell'energia di collisione, la materia si allunga maggiormente lungo la direzione del fascio e l'angolo di inclinazione diminuisce. Le simulazioni hanno mostrato una relazione chiara, quasi lineare, tra questi due fattori: all'aumentare dell'angolo di inclinazione della sorgente, la polarizzazione dello spin globale degli iperoni Lambda aumentava proporzionalmente.

Questa scoperta è significativa perché sfida l'idea che la polarizzazione dello spin sia guidata esclusivamente dalla velocità di rotazione. Al contrario, rivela un effetto "modulato dalla geometria". I ricercatori hanno spiegato che il movimento rotatorio all'interno della fiamma ha un modello complesso, con diverse parti del fluido che ruotano in direzioni opposte. In un'esplosione perfettamente simmetrica e verticale, questi spin opposti si annullerebbero ampiamente a vicenda, lasciando pochissimo allineamento netto. Tuttavia, quando la sorgente è inclinata, questo annullamento perfetto viene interrotto. L'inclinazione agisce come una leva, permettendo l'emergere di un allineamento di spin residuo che è direttamente proporzionale all'angolo di inclinazione. Questo meccanismo spiega perché la polarizzazione dello spin diminuisca all'aumentare dell'energia di collisione: ad energie più elevate, la sorgente diventa più verticale e simmetrica, permettendo agli spin opposti di annullarsi più efficacemente.

I risultati teorici delle simulazioni al computer hanno corrisposto in modo sorprendente con i dati reali raccolti da diverse importanti sperimentazioni, incluse quelle condotte dalle collaborazioni STAR, HADES ed E895. Questi esperimenti hanno misurato lo spin degli iperoni Lambda e la geometria della sorgente di collisione a diverse energie. Quando i ricercatori hanno tracciato i dati sperimentali insieme ai risultati delle loro simulazioni, i punti si sono posizionati lungo lo stesso andamento quasi lineare. Persino i punti dati provenienti da energie più elevate, che non facevano parte del range specifico della simulazione, seguivano lo stesso schema. Questa forte concordanza tra teoria e osservazione conferma che lo spin delle particelle in questi ambienti estremi è effettivamente governato dall'interazione tra il moto rotatorio locale del fluido e la forma complessiva della sorgente in espansione.

Lo studio conclude che l'effetto Barnett, noto da tempo nella fisica macroscopica, si estende fino alla scala del femtometro, che è un quadrilionesimo di metro. A questa scala, dove le temperature superano un trilione di gradi, il comportamento della materia è dettato da un delicato equilibrio tra rotazione e geometria. I ricercatori sottolineano che questa scoperta fornisce un nuovo modo per comprendere le proprietà del fluido più caldo e vorticoso mai creato in un laboratorio. Collegando lo spin delle particelle all'inclinazione della sorgente, lo studio offre un quadro più chiaro di come il momento angolare venga trasferito nel regno subatomico. Il lavoro futuro mirerà a testare questa relazione attraverso un intervallo di energie ancora più ampio e con misurazioni più precise, potenzialmente gettando luce sulla natura fondamentale dello spin e sulle transizioni di fase che avvengono nell'universo primordiale. I risultati sono una testimonianza della potenza di combinare simulazioni avanzate con l'osservazione sperimentale per svelare le meccaniche nascoste del mondo subatomico.