Gli scienziati rivelano i segreti dei primi istanti dell'universo

I ricercatori dell’Università Eötvös Lorand stanno utilizzando acceleratori di particelle avanzati per esplorare la trasformazione della materia dei quark nell’universo primordiale in materia ordinaria. Le loro tecniche e i loro risultati innovativi contribuiscono in modo significativo alla nostra comprensione della fisica fondamentale e dell’interazione forte. Credito: SciTechDaily.com

I loro sforzi si sono concentrati sulla mappatura del “brodo primordiale” che ha riempito l’universo nel primo milionesimo di secondo dopo la sua creazione.

I fisici dell'Università Eötvös Loránd hanno studiato i componenti del nucleo atomico utilizzando i tre acceleratori di particelle più avanzati al mondo. La loro ricerca mira a esplorare il “brodo primordiale” che esisteva nell'universo durante i primi microsecondi dopo la sua creazione. È interessante notare che i loro risultati suggeriscono che il movimento delle particelle osservato assomiglia alla ricerca di prede di predatori marini, ai modelli di cambiamento climatico e alle fluttuazioni del mercato azionario.

Subito dopo l'incidente la grande esplosioneLe temperature erano così estreme che né i nuclei atomici né i nucleoni, i loro elementi costitutivi, potevano esistere. Quindi, in questo primo caso, l’universo era pieno di una “zuppa primordiale” di quark e gluoni.

Quando l'universo si raffreddò, questo mezzo subì un processo di “congelamento”, che portò alla formazione delle particelle che conosciamo oggi, come protoni e neutroni. Questo fenomeno viene replicato su scala molto più piccola negli esperimenti con l’acceleratore di particelle, dove le collisioni tra due nuclei creano minuscole goccioline di materia quark. Queste goccioline alla fine si trasformano in materia ordinaria attraverso il congelamento, una trasformazione nota ai ricercatori che conducono questi esperimenti.

Differenze nella materia dei quark

Tuttavia, le proprietà della materia dei quark differiscono a causa delle differenze di pressione e temperatura derivanti dall’energia di collisione negli acceleratori di particelle. Questa differenza richiede misurazioni per “scansionare” la materia presso acceleratori di particelle di diverse energie, come il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) negli Stati Uniti, o il Superproton Collider (SPS) e il Large Hadron Collider (LHC) in Svizzera.

“Questo aspetto è così importante che nuovi acceleratori vengono creati in tutto il mondo, ad esempio in Germania o in Giappone, appositamente per tali esperimenti. “Forse la domanda più importante è come avviene la transizione tra le fasi: può apparire un punto critico sul mappa di fase.” , spiega Mati Chanad, professore di fisica presso il Dipartimento di fisica atomica dell'Università Eötvös Lorand (ELTE).

Un montaggio di tracce ricostruite da eventi di impatto reali e fotografie dei rilevatori coinvolti, al Brookhaven National Laboratory e al CERN. Fonte: montaggio realizzato da Máté Csanád / Università Eötvös Loránd Immagini originali del montaggio: STAR és PHENIX: Brookhaven National Laboratory e CMS és NA61: CERN

L’obiettivo a lungo termine della ricerca è approfondire la nostra comprensione dell’interazione forte che governa le interazioni nella materia dei quark e nei nuclei atomici. Il nostro attuale livello di conoscenza in questo campo può essere paragonato alla comprensione dell’elettricità da parte dell’umanità nelle epoche di Volta, Maxwell o Faraday. Sebbene avessero un’idea delle equazioni di base, ci è voluto molto lavoro sperimentale e teorico per sviluppare le tecnologie che hanno trasformato profondamente la vita di tutti i giorni, dalla lampadina alla televisione, ai telefoni, ai computer e a Internet. Allo stesso modo, la nostra comprensione dell’interazione forte è ancora in una fase iniziale, rendendo cruciale la ricerca per esplorarla e mapparla.

Innovazioni nella femoscopia

I ricercatori dell'ELTE sono stati coinvolti in esperimenti su ciascuno degli acceleratori sopra menzionati e il loro lavoro negli ultimi anni ha portato a un quadro completo della geometria della materia dei quark. Hanno raggiunto questo obiettivo applicando tecniche femtoscopiche. Questa tecnica utilizza correlazioni che derivano dalla natura ondulatoria non classica, di tipo quantistico, delle particelle prodotte, che alla fine rivelano la struttura femtometrica del mezzo, che è la fonte dell'emissione di particelle.

I ricercatori dell'Università di Eötvös lavorano per raccogliere dati per l'esperimento STAR presso il Brookhaven National Laboratory. Credito: Máté Csanád / Università Eötvös Loránd

“Nei decenni precedenti, la femtocopia veniva eseguita partendo dal presupposto che la materia dei quark seguisse una distribuzione normale, cioè una forma gaussiana che si trova in molti luoghi della natura”, spiega Marton Nagy, uno dei ricercatori principali del gruppo.

Tuttavia, i ricercatori ungheresi si sono rivolti al processo di Levy, familiare anche in varie discipline scientifiche, come un quadro più generale, che è una buona descrizione della ricerca di prede da parte dei predatori marini, dei processi del mercato azionario e persino del cambiamento climatico. Una caratteristica distintiva di questi processi è che in certi momenti subiscono variazioni molto grandi (ad esempio, quando uno squalo cerca cibo in una nuova area), e in tali casi può verificarsi una distribuzione Livre invece di una distribuzione normale (gaussiana).

Implicazioni e ruolo dell'ELTE

Questa ricerca è di grande importanza per diversi motivi. Innanzitutto, una delle caratteristiche più studiate del congelamento della materia dei quark in materia adronica è il raggio femtoscopico (chiamato anche raggio HBT, con riferimento al noto effetto Hanbury-Brown e Twyss). In astronomia), deriva da misurazioni femtoscopiche. Tuttavia, questa misura dipende dalla geometria presunta del mezzo. Come riassume Daniel Kinsis, un ricercatore post-dottorato del gruppo, “Se l'ipotesi gaussiana non è ottimale, i risultati più accurati da questi studi possono essere ottenuti solo sotto l'ipotesi di Lévy. Il valore dell'esponente di Lévy, che caratterizza la distribuzione di Lévy, può Fanno luce anche sulla natura della transizione di fase, e quindi la sua variazione con l’energia di collisione fornisce informazioni sulle diverse fasi della materia dei quark.

I ricercatori dell'ELTE sono attivamente coinvolti in quattro esperimenti: NA61/SHINE presso l'acceleratore SPS, PHENIX e STAR presso RHIC e CMS presso LHC. Il gruppo NA61/SHINE di ELTE è guidato da Yoshikazu Nagai, mentre il gruppo CMS è guidato da Gabriela Pastor; e i gruppi RHIC fondati da Máté Csanád, che coordina anche la ricerca femtoscopica presso ELTE.

Questi gruppi danno un contributo significativo al successo degli esperimenti a vario titolo, dallo sviluppo dei reagenti all'acquisizione e all'analisi dei dati. Partecipano anche a molti progetti teorici e ricerche. “Ciò che rende unico la nostra ricerca sulla femtoscopia è che viene eseguita in quattro esperimenti presso tre acceleratori di particelle, dandoci un'ampia visione della geometria e delle possibili fasi della materia dei quark”, afferma Matej Chanad.

Riferimento: “Un nuovo metodo per calcolare le funzioni di correlazione di Bose-Einstein con l'interazione dello stato finale di Coulomb” di Marton Nagy, Aleta Borza, Matej Csanad e Daniel Kinsis, 8 novembre 2023, Giornale fisico europeo C.
doi: 10.1140/epjc/s10052-023-12161-y