Le collisioni di ossigeno al LHC mostrano nuove indicazioni di uno stato estremo della materia

Il Large Hadron Collider (LHC) ha rilevato nuove indicazioni che le collisioni di ossigeno e neon potrebbero produrre lo stato estremo della materia che si ritiene sia esistito pochi istanti dopo il Big Bang. Tutti e quattro i principali esperimenti LHC, ALICE, ATLAS, CMS e LHCb, hanno riportato risultati che suggeriscono la formazione di quark, gluon plasma (QGP), una fase supercalda e densa della materia che è emersa nell'universo primordiale. Questi risultati arrivano un anno dopo le prime collisioni di ossigeno al LHC, segnando un significativo progresso nella comprensione delle forze e delle condizioni fondamentali del cosmo.

Le collisioni di ossigeno e neon al LHC rappresentano una deviazione dai metodi precedenti utilizzati per generare QGP, che tradizionalmente richiedevano collisioni che coinvolgevano nuclei molto più pesanti, come il piombo. Fino a poco tempo fa, gli scienziati credevano che solo le collisioni di ioni pesanti potessero raggiungere le pressioni e le temperature estreme necessarie per creare QGP. Tuttavia, studi recenti sfidano questa ipotesi, dimostrando che nuclei più leggeri come ossigeno e neon potrebbero anche produrre questo stato esotico di materia.

Questo fenomeno si verifica quando quark e gluoni in rapido movimento perdono energia mentre viaggiano attraverso il denso e caldo mezzo di QGP. ATLAS ha osservato uno squilibrio tra coppie di getti di particelle prodotti in ossigeno, ossigeno e neon, collisioni di neon, indicando che l'energia veniva persa. Questo effetto è diventato più pronunciato nelle collisioni centrali, dove si forma un volume più grande di QGP, portando a una maggiore perdita di energia. Studi preliminari di particelle cariche che si ritirano contro i fotoni hanno anche mostrato dipendenze simili, rafforzando il legame tra perdita di energia e QGP.

Altri esperimenti hanno adottato approcci alternativi per confermare la presenza di QGP. La collaborazione CMS ha notato una soppressione della produzione di particelle cariche nell'ossigeno, nell'ossigeno e nel neone, nelle collisioni di neoni rispetto ai protoni, nelle collisioni di protoni. Questa soppressione suggerisce che si sta verificando una perdita di energia del partone, sostenendo ulteriormente l'idea che QGP si stia formando in queste collisioni di ioni più leggeri. Nel frattempo, l'esperimento LHCb ha studiato la soppressione di particelle fatte di charm e quarks leggeri nelle collisioni di ossigeno, ossigeno e neone, neoni. Hanno scoperto che la soppressione è aumentata con la massa dei nuclei in collisione, in linea con le aspettative basate sulla perdita di energia del partone e sull'espansione del volume di QGP.

Per escludere spiegazioni alternative per gli effetti osservati, la collaborazione ALICE ha confrontato la produzione di pion neutri nell'ossigeno, nell'ossigeno e nelle collisioni di protoni e ossigeno. La loro analisi ha confermato che la perdita di energia del partone era responsabile della soppressione, fornendo chiare prove della formazione di QGP nell'ossigeno, nelle collisioni di ossigeno. Questo metodo ha aiutato a eliminare altri possibili fattori che contribuiscono ai fenomeni osservati, rafforzando il caso della creazione di QGP in queste interazioni di ioni più leggeri. Le implicazioni di questi risultati vanno oltre la conferma dell'esistenza di QGP.

I risultati suggeriscono che le condizioni necessarie per la formazione del QGP potrebbero essere realizzabili con una gamma più ampia di tipi di collisioni di quanto si pensasse in precedenza. Ciò apre nuove strade per la ricerca, consentendo agli scienziati di esplorare le proprietà del QGP utilizzando nuclei più leggeri e potenzialmente scoprendo ulteriori intuizioni sul comportamento della materia in condizioni estreme.