a cura di Mario Bruschi, Dipartimento di Fisica Università “La Sapienza”
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).
