L'esperimento del Large Hadron Collider per produrre quark

Per 30 anni, i fisici di tutto il mondo hanno cercato di ricostruire il modo in cui le particelle vivificanti si sono formate nell’universo primordiale. ALICE è il loro sforzo più potente finora.

Di Rahul Rao | Pubblicato il 31 agosto 2023 alle 6:00 EDT

NORMALMENTE, creare un universo non è il lavoro del Large Hadron Collider (LHC). La maggior parte delle attività scientifiche rivoluzionarie – l’individuazione e il monitoraggio dei bosoni di Higgs, per esempio – effettuate dal più grande acceleratore di particelle del mondo avviene quando lancia umili protoni quasi alla velocità della luce.

Ma per circa un mese verso la fine di ogni anno, LHC passa dai protoni ai proiettili che sono circa 208 volte più pesanti: gli ioni di piombo.

Quando l’LHC fa schiantare questi ioni l’uno contro l’altro, gli scienziati possono, se hanno capito tutto bene, intravedere una fugace goccia di un universo come quello che ha cessato di esistere pochi milionesimi di secondo dopo il big bang.

Questa è la storia del plasma di quark e gluoni. Prendi un atomo, qualsiasi atomo. Rimuovi le sue nubi vorticose di elettroni per rivelare il suo nucleo, il nucleo atomico. Quindi, taglia finemente il nucleo nei suoi componenti di base, protoni e neutroni.

Quando i fisici divisero per la prima volta un nucleo atomico all'inizio del XX secolo, questo fu il massimo che arrivarono. Protoni, neutroni ed elettroni formavano la massa dell'intero universo: beh, quelli, più frammenti di particelle caricate elettricamente di breve durata come i muoni. Ma i calcoli, gli acceleratori di particelle primitivi e i raggi cosmici che colpiscono l’atmosfera terrestre hanno cominciato a rivelare un ulteriore serraglio di particelle esoteriche: kaoni, pioni, iperoni e altri che sembrano conferire poteri psichici agli alieni.

Sembrava piuttosto inelegante da parte dell'universo presentare così tanti ingredienti di base. I fisici presto capirono che alcune di quelle particelle non erano affatto elementari, ma combinazioni di particelle ancora più piccole, che chiamarono con una parola in parte ispirata al Finnegans Wake di James Joyce: quark.

I quark sono disponibili in sei diversi “sapori”, ma la stragrande maggioranza dell’universo osservabile è costituito solo da due: quark up e quark down. Un protone è costituito da due quark up e un quark down; un neutrone, due verso il basso e uno verso l'alto. (Gli altri quattro, in ordine crescente di pesantezza ed elusività: quark strani, quark charm, quark beauty e quark top.)

A questo punto la lista degli ingredienti termina. Normalmente nel nostro mondo non è possibile tagliare un protone o un neutrone in quark; nella maggior parte dei casi, i quark non possono esistere da soli. Ma negli anni ’70, i fisici avevano trovato una soluzione alternativa: riscaldare le cose. A un punto che gli scienziati chiamano temperatura di Hagedorn, quelle particelle subatomiche si riducono a una zuppa ad alta energia di quark e particelle ancora più piccole che le tengono insieme: i gluoni. Gli scienziati hanno soprannominato quella zuppa plasma di quark e gluoni (QGP).

È una ricetta allettante perché, ancora una volta, quark e gluoni non possono normalmente esistere da soli, e ricostruirli dalle particelle più grandi che costruiscono è impegnativo. "Se vi do l'acqua, è molto difficile descrivere le proprietà [degli atomi di idrogeno e ossigeno]", afferma Bedangadas Mohanty, fisico dell'Istituto nazionale indiano di educazione e ricerca scientifica e del CERN. "Allo stesso modo, posso darti protoni, neutroni, pioni... ma se vuoi davvero studiare le proprietà dei quark e dei gluoni, ti servono in una scatola, gratuitamente."

Questa non è una ricetta che puoi provare nel forno di casa. In unità del mondo quotidiano, la temperatura in un sistema adronico è di circa 3 trilioni di gradi Fahrenheit: 100mila volte più calda del centro del sole. Il miglior apparecchio per questo lavoro è un acceleratore di particelle.

Ma non andrà bene un acceleratore di particelle qualsiasi. Devi potenziare le tue particelle con energia sufficiente. E quando gli scienziati decisero di creare QGP, LHC non era altro che il sogno di un futuro lontano. Invece, il CERN aveva un collisore più vecchio che occupava solo circa un quarto della circonferenza di LHC: il Super Proton Synchrotron (SPS).