Come catturare un'onda perfetta: gli scienziati danno un'occhiata più da vicino all'interno del fluido perfetto
La ricerca del Berkeley Lab ci avvicina alla comprensione di come è iniziato il nostro universo.
Gli scienziati hanno riportato nuovi indizi per risolvere un enigma cosmico: come il quark-gluone plasma – il fluido perfetto della natura – si è evoluto in materia.
Pochi milionesimi di secondo dopo il Big Bang, l'universo primordiale assunse uno strano nuovo stato: una zuppa subatomica chiamata plasma di quark e gluoni.
E solo 15 anni fa, un team internazionale che comprendeva ricercatori del gruppo Relativistic Nuclear Collisions (RNC) del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ha scoperto che questo plasma di quark-gluoni è un fluido perfetto – in cui quark e gluoni, i mattoni di protoni e neutroni, sono così fortemente accoppiati che scorrono quasi senza attrito.
Guarda il video clip time-lapse che mostra un'onda Mach supersonica mentre si evolve in un plasma di quark e gluoni in espansione. La simulazione al computer fornisce nuove informazioni su come la materia si è formata durante la nascita dell'universo primordiale. Credito: Berkeley Lab
Gli scienziati hanno ipotizzato che getti di particelle altamente energetici volino attraverso il plasma di quark e gluoni, una gocciolina delle dimensioni di un atomo's nucleo - a velocità superiori alla velocità del suono e che, come un jet in volo veloce, emette un boom supersonico chiamato onda Mach. Per studiare le proprietà di queste particelle a getto, nel 2014 un team guidato dagli scienziati del Berkeley Lab ha aperto la strada a una tecnica di imaging a raggi X atomica chiamata tomografia a getto. I risultati di quegli studi seminali hanno rivelato che questi getti si disperdono e perdono energia mentre si propagano attraverso il plasma di quark e gluoni.
Ma dove è iniziato il viaggio delle particelle del getto all'interno del plasma di quark e gluoni? Secondo gli scienziati, un segnale d'onda Mach più piccolo chiamato scia di diffusione ti direbbe dove cercare. Ma mentre la perdita di energia era facile da osservare, l'onda Mach e la scia di diffusione che la accompagnava sono rimaste sfuggenti.
Questo video del 2010 descrive le collisioni di particelle pesanti al Relativistic Heavy Ion Collider del Brookhaven National Laboratory. Nel 2005, i fisici RHIC hanno annunciato che la materia creata nelle collisioni più energetiche dell'acceleratore si comporta come un liquido quasi perfetto. Le proprietà di questo fluido, il plasma di quark e gluoni, ci aiutano a comprendere le proprietà della materia nell'universo primordiale. Credito: Laboratorio nazionale di Brookhaven
Ora, in uno studio pubblicato di recente sulla rivista Physical Review Letters, gli scienziati del Berkeley Lab riportano nuovi risultati da simulazioni di modelli che mostrano che un'altra tecnica da loro inventata chiamata tomografia a getto 2D può aiutare i ricercatori a localizzare il segnale spettrale della scia di diffusione.
“Il suo segnale è così piccolo che è come cercare un ago in un pagliaio di 10,000 particelle. Per la prima volta, le nostre simulazioni mostrano che è possibile utilizzare la tomografia a getto 2D per captare i minuscoli segnali della scia di diffusione nel plasma di quark e gluoni", ha affermato il leader dello studio Xin-Nian Wang, uno scienziato senior della divisione di scienze nucleari del Berkeley Lab che faceva parte del team internazionale che ha inventato la tecnica della tomografia a getto 2D.
Per trovare quell'ago supersonico nel pagliaio di quark e gluoni, il team del Berkeley Lab ha selezionato centinaia di migliaia di eventi di collisione tra nuclei di piombo simulati al Large Hadron Collider (LHC) a CERNe gli eventi di collisione tra nuclei d'oro presso il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) presso il Brookhaven National Laboratory. Alcune delle simulazioni al computer per il presente studio sono state eseguite presso la struttura utente del supercomputer NERSC di Berkeley Lab.
Wang afferma che il loro approccio unico "ti aiuterà a sbarazzarti di tutto questo fieno nella tua pila - ti aiuterà a concentrarti su questo ago". Il segnale supersonico delle particelle del getto ha una forma unica che sembra un cono, con una scia di diffusione che si trascina dietro, come increspature d'acqua sulla scia di una barca in rapido movimento. Gli scienziati hanno cercato prove di questo "wakelet" supersonico perché ti dice che c'è un esaurimento delle particelle. Una volta che la scia di diffusione si trova nel plasma di quark-gluoni, puoi distinguere il suo segnale dalle altre particelle sullo sfondo.
Il loro lavoro aiuterà anche gli sperimentatori dell'LHC e del RHIC a capire quali segnali cercare nella loro ricerca per capire come il plasma di quark e gluoni, il fluido perfetto della natura, si sia evoluto in materia. "Di cosa siamo fatti? Che aspetto aveva l'universo infantile nei pochi microsecondi dopo il Big Bang? Questo è ancora un lavoro in corso, ma le nostre simulazioni della scia di diffusione tanto ricercata ci avvicinano alla risposta a queste domande", ha affermato.
Riferimento: "Cerca for the Elusive Jet-Induced Diffusion Wake in Z/γ-Jets with 2D Jet Tomography in High-Energy Heavy-Ion Collisions” di Wei Chen, Zhong Yang, Yayun He, Weiyao Ke, Long-Gang Pang e Xin-Nian Wang, 17 agosto 2021, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.082301
Altri coautori erano Wei Chen, dell'Università dell'Accademia cinese delle scienze; Zhong Yang, Università Normale della Cina Centrale; Yayun He, Università Normale della Cina Centrale e Università Normale della Cina Meridionale; Weiyao Ke, Berkeley Lab e UC Berkeley; e Longgang Pang, Università Normale della Cina Centrale.
NERSC è una struttura utente del DOE Office of Science presso il Berkeley Lab.
Questo lavoro è stato sostenuto dal DOE Office of Science e Office of Nuclear Physics.
