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Disegno artistico dello spruzzo di particelle risultante dalla collisione di due atomi pesanti. Quando la zuppa subatomica calda si raffredda, le particelle appena formate cadono nello spazio. Copyright: Joseph Domenicus Lapp, editore
Gli scienziati hanno ricreato le condizioni estreme dell’universo primordiale negli acceleratori di particelle, rivelando informazioni sorprendenti sulla formazione della materia.
Nuovi calcoli mostrano che fino al 70% di alcune particelle potrebbero provenire da reazioni successive piuttosto che dalla zuppa iniziale di quark e gluoni che si è formata immediatamente dopo la reazione. Big BangQuesta scoperta mette in discussione le ipotesi precedenti sulla sequenza temporale della formazione della materia e suggerisce che gran parte della materia che ci circonda si è formata più tardi del previsto. Comprendendo questi processi, gli scienziati possono interpretare meglio i risultati degli esperimenti di collisione e migliorare la loro conoscenza delle origini dell’universo.
Ricreare le dure condizioni che prevalevano nell’universo primordiale
La temperatura dell’universo primordiale era 250.000 volte più calda della temperatura del nucleo del sole. Questo è molto più alto dei protoni e dei neutroni che compongono la materia che vediamo nella nostra vita quotidiana. Gli scienziati stanno cercando di ricreare le condizioni prevalenti nell’universo primordiale negli acceleratori di particelle facendo schiantare insieme gli atomi a una velocità vicina a quella della luce. Misurare la quantità di particelle che piovono sull’universo permette agli scienziati di capire come si forma la materia.
Le particelle misurate dagli scienziati possono formarsi in diversi modi: dal brodo originario di quark e gluoni o da interazioni successive. Queste interazioni successive iniziarono 0,000001 secondi dopo il Big Bang, quando le particelle composite costituite da quark iniziarono a interagire tra loro. Un nuovo calcolo ha scoperto che fino al 70% di alcune delle particelle misurate provengono da queste interazioni successive, piuttosto che da interazioni simili a quelle avvenute nell’universo primordiale.
Comprendere le origini della materia
Questa scoperta migliora la comprensione scientifica delle origini della materia. Aiuta a determinare quanta materia che ci circonda si è formata nelle prime frazioni di secondo dopo il Big Bang, rispetto alla quantità di materia che si è formata dalle interazioni successive durante l’espansione dell’universo. Questo risultato indica che grandi quantità di materia che ci circonda si sono formate più tardi del previsto.
Per comprendere i risultati degli esperimenti sulle collisioni, gli scienziati devono escludere le particelle formate nelle interazioni successive. Solo quelli formatisi nel brodo subatomico rivelano le condizioni primordiali dell’universo. Questo nuovo calcolo mostra che il numero misurato di particelle formate nelle reazioni è molto più elevato del previsto.
L’importanza delle reazioni successive nella formazione delle particelle
Negli anni ’90, i fisici si resero conto che alcune particelle si formano in gran numero a seguito di interazioni successive alla formazione iniziale dell’universo. Particelle chiamate mesoni D possono interagire per formare una particella rara, il carmonio. Gli scienziati non sono d’accordo su quanto sia importante questo effetto. Poiché il carmonio è raro, è difficile da misurare.
Tuttavia, recenti esperimenti forniscono dati sul numero di collisioni prodotte dai mesoni carmonio e D. Università di Yale La Duke University ha utilizzato i nuovi dati per calcolare la forza di questo effetto. La sua importanza si è rivelata molto maggiore del previsto. Più del 70% del carmonio misurato può formarsi nelle reazioni.
Implicazioni per la comprensione delle origini della materia
Quando il brodo caldo di particelle subatomiche si raffredda, si espande in una palla di fuoco. Tutto ciò avviene in meno di un centesimo del tempo impiegato dalla luce per attraversarlo maisDato che è così veloce, gli scienziati non sono del tutto sicuri di come si sia espansa la palla di fuoco.
I nuovi calcoli mostrano che gli scienziati non hanno necessariamente bisogno di conoscere i dettagli di questa espansione. Tuttavia, le collisioni producono una grande quantità di carmonio. Il nuovo risultato avvicina gli scienziati alla comprensione delle origini della materia.
Riferimento: “J/ψ Hadron Regeneration in Pb+Pb Collisions” di Josef Dominicus Lapp e Bernt Müller, 11 ottobre 2023, Fisica delle lettere b.
doi: 10.1016/j.physletb.2023.138246
Questo lavoro è stato sostenuto dall’Ufficio di Scienza del Dipartimento di Energia, Programma di Fisica Nucleare. Uno dei ricercatori ringrazia anche per l’ospitalità e il sostegno finanziario forniti durante la sua permanenza all’Università di Yale.
