Mario Bruschi Una nuova forma di materia nucleare ?
La scienza
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rubrica a cura di
Mario Bruschi
Dipartimento di Fisica
Universita` "La Sapienza"
e-mail: bruschi@roma1.infn.it
 

 
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 Nella caccia ormai secolare ai costituenti "ultimi" della materia, i fisici sono scesi (finora) fino agli elettroni e ai quarks . I quarks sembrano amare la compagnia (nel senso che sembra impossibile "isolare" un quark ): coppie di quarks (legati dai loro inseparabili compagni i "gluoni ") formano i cosiddetti mesoni , triplette di quarks (con relativi gluoni ) formano i barioni (mesoni e barioni formano la famiglia degli adroni , cioè delle particelle che interagiscono "forte", come il mesone pione e il barione protone ; i nomi sono legati alla  massa (e alla storia): si va dall'elettrone (che è un leptone, cioè è "leggero") ai mesoni (massa intermedia) ai barioni (che sono "pesanti" - un protone "pesa" quasi 2000 volte più di un elettrone). Tuttavia i teorici prevedono che, con una energia sufficiente, gli adroni possano "sciogliersi" in una "zuppa" (bollente!) di quarks e gluoni formando il QGP (Quark-Gluon Plasma): tale estremo stato della materia dovrebbe essere esistito pochi microsecondi dopo il Big Bang. La ricerca sperimentale di questo  stato della materia è in corso da anni: recentemente (gennaio 2000) il CERN ha annunciato che forse il QGP è stato raggiunto. In uno degli esperimenti ad alta energia,  fasci di ioni di Piombo (160 Gev per nucleone) sono stati fatti collidere su bersagli (atomi) di Piombo e/o di Oro. L'energia di queste collisioni, nel riferimento del centro di massa (la sola energia  utilizzabile per produrre nuova materia), si aggira sui 3.5 TeV [un Tev o Tera-elettronvolt è pari a 1000 miliardi di elettronvolt, un elettronvolt è l'energia tipica (come ordine di grandezza) degli elettroni in un atomo]. Dai "rottami" che volano via in questi violenti scontri, gli scienziati del CERN hanno stimato che la temperatura della "sfera di fuoco nucleare" deve aver superato i 240 MeV (MeV=Mega elettronvolt= un miliardo di elettronvolt: in queste condizioni estreme è conveniente misurare la temperatura in termini di energia piuttosto che nei normali 'gradi'), ben al di sopra della temperatura a cui si pensa che nuovi effetti solo "nucleari" possano verificarsi. In queste collisioni la momentanea densità della materia nucleare è 20 volte più grande di quella normale. Non è tuttavia certo se il nuovo stato nucleare sia un qualche "riarrangiamento nucleare" (più denso e più energetico di quelli usuali) o sia invece la prima prova del ricercato nuovo stato della materia cioè la prima prova sperimentale dell'esistenza del QGP . I "segni caratteristici" della produzione di una fase QGP dovrebbero essere:

     

  • una forte produzione di mesoni "strani" (la "stranezza" è solo un numero quantico...) 
  • un tasso più basso di produzione di mesoni pesanti PSI ( che sono una combinazione di Quarks e relativi antiQuarks dotati di "fascino" cioè "charm", solo un altro numero quantico...) 
  • un tasso più grande di creazione di fotoni (luce!) molto energetici e di coppie Leptoni-antiLeptoni 

Le prime due "segnature" sono state riscontrate nei dati del CERN (vedi  www.cern.ch). Per una prova più diretta dell'esistenza del QGP , sarebbe necessario che questo stato di plasma sopravvivesse un pò più a lungo per poter osservare i jets di particelle e raggi-gamma previsti per "sfere di fuoco" ancora più calde... (circa 40 TeV nel centro di massa, energia che sarà presto disponibile nel Relativistic Heavy Ion Collider, fra poco operativo a  Brookhaven).