Un piccolo Big Bang al CERN: l’ossigeno rivela il plasma di quark e gluoni

I primi risultati sono stati presentati alla conferenza Initial Stages, organizzata a Taipei, Taiwan, dal 7 al 12 settembre 2025.

Le collisioni hanno raggiunto un’energia nel centro di massa di 5,36 TeV per coppia di nucleoni. Questo ha consentito ad ALICE di studiare comportamenti collettivi in sistemi molto più piccoli rispetto alle collisioni piombo-piombo, tradizionalmente al centro della ricerca sul QGP.

La firma del plasma nelle collisioni dell’ossigeno

Nel plasma di quark e gluoni, quark e gluoni non sono più confinati all’interno di singole particelle composte, come protoni, neutroni e pioni. Per capire se il plasma si è formato, i ricercatori possono osservare come i partoni ad alta energia — i costituenti che in seguito formeranno particelle come i pioni — vengono modificati mentre attraversano il mezzo.

In particolare, ALICE ha rilevato una soppressione dei pioni ad alta energia compatibile con una perdita di energia dei partoni nelle collisioni ossigeno-ossigeno. Secondo la collaborazione, questo risultato estende la firma della formazione del QGP al più piccolo sistema di collisione nucleare esplorato finora.

ALICE ha misurato anche il flusso collettivo anisotropo nelle collisioni ossigeno-ossigeno e neon-neon, compresi il flusso ellittico (v₂) e quello triangolare (v₃). Questi coefficienti descrivono le direzioni preferenziali con cui le particelle vengono emesse attorno all’asse della collisione. I loro valori significativi e la loro dipendenza dalla centralità dell’evento sono coerenti con un comportamento simile a quello di un fluido, descritto da modelli idrodinamici.

Come il flusso delle particelle ha rivelato la forma dei nuclei

Il confronto tra i due elementi è particolarmente utile perché ossigeno-16 e neon-20 non hanno la stessa geometria. Il nucleo di ossigeno-16 è relativamente rotondo; il neon-20, invece, è previsto — e ora sostenuto dai dati delle collisioni — avere una forma allungata, detta prolata, spesso paragonata a una palla da bowling.

Quando due nuclei si scontrano, la regione iniziale di sovrapposizione non è necessariamente circolare. Questa geometria condiziona l’espansione della materia calda prodotta, e l’espansione rimane impressa nella distribuzione angolare delle particelle emesse.

Nelle collisioni neon-neon più centrali, ALICE ha misurato un coefficiente di flusso ellittico (v₂) maggiore rispetto a quello osservato nelle collisioni ossigeno-ossigeno. È il risultato atteso se la forma allungata del neon produce un’impronta ellittica più marcata rispetto alla geometria più sferica dell’ossigeno.

I calcoli sulla struttura nucleare e le simulazioni idrodinamiche riproducono le differenze osservate tra i due sistemi. Questa concordanza sostiene un’interpretazione guidata dalla geometria dei nuclei, e non soltanto dalle fluttuazioni casuali.

In pratica, i ricercatori hanno ricostruito la forma di un nucleo osservando il flusso generato dai resti della collisione. Lo scontro dura troppo poco per essere osservato direttamente, ma l’“impronta” lasciata dalle particelle conserva informazioni sulla configurazione iniziale.

Perché il risultato è importante

Un sistema più piccolo può comportarsi come un fluido

Le collisioni piombo-piombo producono fireball più grandi e longevi, nei quali gli effetti collettivi sono più facili da osservare. Ossigeno e neon occupano una regione intermedia tra le collisioni protone-protone e quelle tra nuclei pesanti. Studiare questi sistemi permette di capire come l’emergere del comportamento collettivo dipenda dalle dimensioni e dalla densità della collisione.

Gli ioni leggeri aiutano quindi a individuare quanto può essere piccolo un sistema mantenendo proprietà idrodinamiche associate al plasma di quark e gluoni. I risultati disponibili indicano che nelle collisioni dell’ossigeno possono comparire sia la perdita di energia dei partoni sia il flusso collettivo, anche se il rapporto preciso tra questi segnali e le proprietà del mezzo resta oggetto di studio.

Le collisioni diventano una sonda della struttura nucleare

L’esperimento offre anche un metodo complementare per studiare la struttura dei nuclei. Invece di colpire un nucleo fermo con un fascio in un esperimento di scattering convenzionale, i ricercatori confrontano il flusso collettivo generato dalla collisione tra nuclei con forme intrinseche diverse.

Il contrasto tra ossigeno e neon aiuta a vincolare le condizioni iniziali impiegate nei modelli delle collisioni tra ioni pesanti.

Una finestra sull’Universo primordiale

Il plasma di quark e gluoni ricorda lo stato estremo della materia che, secondo i modelli cosmologici, riempiva l’Universo nei suoi primi microsecondi, prima che quark e gluoni si confinassero all’interno di protoni, neutroni e altri adroni.

Le collisioni tra ioni leggeri permettono di studiare quella forma primordiale della materia in un sistema più piccolo e regolabile, mettendo alla prova anche il confine tra le collisioni nucleari capaci di produrre un mezzo simile a un fluido e quelle che non lo fanno.

Quali saranno i prossimi esperimenti?

Le fonti disponibili non indicano un calendario confermato né un elenco preciso di nuclei più leggeri dell’ossigeno destinati alle prossime campagne. Sostengono però l’importanza di ulteriori confronti tra sistemi di ioni leggeri, per stabilire la dimensione e la densità minime necessarie a ottenere un comportamento simile a quello del QGP e per usare nuclei dalla forma ben definita nel migliorare i modelli della geometria iniziale.

L’incertezza fa parte della domanda scientifica. Ossigeno e neon si trovano vicino alla frontiera dei piccoli sistemi: le misure future dovranno separare con maggiore precisione gli effetti della forma nucleare, delle fluttuazioni dello stato iniziale e della reale perdita di energia causata dal mezzo.

Per ora, il risultato di ALICE stabilisce due punti collegati: le collisioni dell’ossigeno mostrano una firma fondamentale del plasma di quark e gluoni, mentre il confronto tra ossigeno e neon può trasformare i detriti in espansione di una collisione in una sonda della forma dei nuclei.