Al CERN, le collisioni di ossigeno e neon mostrano i segnali della materia del primo Universo

Perché le collisioni con nuclei leggeri sono importanti

Per decenni, lo studio del QGP si è concentrato soprattutto sulle collisioni tra nuclei pesanti, come quelli di piombo. I nuclei leggeri offrono invece un banco di prova più selettivo: permettono di esaminare il passaggio tra semplici interazioni tra particelle e un comportamento collettivo, simile a quello di un fluido, in sistemi molto più piccoli.

Il programma del 2025 ha incluso collisioni ossigeno-ossigeno, neon-neon e protone-ossigeno. Il confronto tra sistemi di dimensioni e geometrie differenti consente di capire quali condizioni siano necessarie perché emerga una materia fortemente interagente e collettiva.

Il risultato centrale di ALICE è stata l’osservazione di un flusso anisotropo guidato dalla geometria della collisione. Le particelle non si sono allontanate in modo casuale: la distribuzione dei loro impulsi conteneva componenti ellittiche e triangolari, indicate con i coefficienti (v_2) e (v_3). La loro variazione al cambiare della centralità della collisione è risultata coerente con i calcoli idrodinamici, che trasformano la zona iniziale di sovrapposizione dei nuclei nel flusso direzionale delle particelle finali.

In altre parole, la materia caldissima in espansione conserva una traccia della forma della regione in cui si è formata. La geometria iniziale diventa così riconoscibile nel moto collettivo dei prodotti finali. I dati indicano quindi che un comportamento collettivo può svilupparsi anche in sistemi molto più piccoli delle tradizionali collisioni piombo-piombo.

Quattro esperimenti, diversi indizi convergenti

L’interpretazione non si basa soltanto sul flusso collettivo. Le quattro principali collaborazioni dell’LHC hanno fornito osservazioni complementari:

• ALICE ha trovato evidenze di perdita di energia dei partoni nelle collisioni ossigeno-ossigeno, studiando la soppressione delle particelle ad alta energia. Quark e gluoni che attraversano un mezzo caldo e denso possono infatti perdere energia prima di trasformarsi nelle particelle osservabili.
• ATLAS ha misurato uno squilibrio energetico tra getti opposti nelle collisioni ossigeno-ossigeno e neon-neon. L’effetto aumenta nelle collisioni più centrali, dove i getti attraversano una regione più ampia di materia calda.
• CMS ha osservato una produzione ridotta di particelle cariche ad alto impulso nelle collisioni ossigeno-ossigeno e neon-neon rispetto ai riferimenti protone-protone. Ha inoltre rilevato segnali compatibili con la soppressione sequenziale di diversi stati di bottomonio, legati in modo più o meno forte.
• LHCb ha rilevato una soppressione maggiore dei mesoni formati da un quark charm e da un quark leggero nel sistema più grande del neon rispetto a quello dell’ossigeno. Ha inoltre riportato evidenze preliminari relative alla soppressione del bottomonio nei dati protone-ossigeno e ossigeno-ossigeno.

Flusso collettivo, perdita di energia di partoni e getti, riduzione delle particelle ad alto impulso e soppressione degli stati di quark pesanti compongono nel loro insieme un quadro coerente con un comportamento simile a quello del QGP. Ogni misura, presa singolarmente, può avere spiegazioni alternative che devono essere modellate e verificate. La conclusione corretta è dunque quella di un’evidenza convergente, non di una fotografia diretta di una goccia di plasma.

Il “ritratto” indiretto della forma dei nuclei

Il confronto tra ossigeno e neon ha trasformato l’LHC anche in uno strumento per studiare la struttura nucleare. Il nucleo di ossigeno-16 è considerato approssimativamente sferico, mentre il neon-20 è intrinsecamente deformato e viene spesso descritto come allungato, con una forma simile a un birillo da bowling. L’orientamento del neon al momento dell’urto modifica la geometria della regione di collisione.

ALICE ha confrontato i modelli di flusso prodotti dalle collisioni neon-neon e ossigeno-ossigeno. I rapporti tra i due sistemi riducono l’influenza degli effetti comuni e rendono il confronto più sensibile alle differenze nella geometria iniziale dei nuclei e alle fluttuazioni su scale più piccole. I coefficienti di flusso misurati e la loro dipendenza dalla centralità hanno concordato con previsioni idrodinamiche che incorporavano forme realistiche per l’ossigeno e il neon.

Il materiale prodotto dall’urto ha agito così come un’immagine indiretta dei nuclei prima dell’impatto. Un nucleo quasi sferico e uno deformato lasciano impronte geometriche differenti nell’espansione collettiva, anche se sono troppo piccoli per essere osservati direttamente con un’immagine.

Un nuovo metodo, complementare a quelli tradizionali

La deformazione dei nuclei viene studiata normalmente a basse energie attraverso bande rotazionali, eccitazioni vibratorie, transizioni elettromagnetiche e altre proprietà spettroscopiche. Il programma con ioni leggeri dell’LHC aggiunge un metodo ad altissima energia: accelerare i nuclei quasi alla velocità della luce, farli collidere e ricostruire la geometria iniziale osservando il flusso della materia che si espande.

Questo approccio non sostituisce la spettroscopia nucleare, ma la completa. Da una parte può sondare l’effetto della forma complessiva del nucleo; dall’altra offre potenzialmente informazioni sulle fluttuazioni a distanze ancora più piccole. Inoltre, permette di mettere alla prova i modelli idrodinamici in sistemi molto ridotti, nei quali la geometria e le scelte teoriche hanno un peso maggiore.

Il risultato collega quindi due ambiti spesso considerati separati: la struttura dei nuclei atomici e le proprietà della materia che riempiva il cosmo poco dopo il Big Bang.

L’elio-4 potrebbe indicare il limite inferiore?

Il passo successivo potrebbe consistere nello studio di proiettili ancora più leggeri, come l’elio-4. Il confronto con ossigeno e neon permetterebbe di cercare il punto in cui il flusso collettivo e i segnali di perdita di energia si indeboliscono o scompaiono, mentre diminuiscono le dimensioni, la durata e la densità di energia del sistema.

Misure di questo tipo potrebbero aiutare a definire le condizioni minime per la formazione di materia con caratteristiche simili al QGP e offrire una nuova geometria nucleare per testare i modelli della struttura dei nuclei e della materia fortemente interagente. Tuttavia, le fonti disponibili non confermano una futura corsa con elio-4, né ne indicano calendario o sensibilità prevista. Per ora si tratta quindi di una possibile direzione di ricerca, non di un risultato già annunciato.