Com’era la materia all’origine dell’Universo

Cos’è successo nei primi istanti di vita dell’Universo? E come si sono formati i primi atomi? Per capirlo è necessario tornare indietro, molto indietro, all’origine dell’Universo. Un’impresa realizzata oggi da un team internazionale di ricercatori, che ha riprodotto in laboratorio una piccola quantità del materiale che componeva l’Universo nei suoi primi istanti di vita, subito dopo il Big Bang e che potrebbe aiutarci a capire come sia nata tutta la materia che ci circonda. Il traguardo, raccontano i ricercatori su Nature Physics, è stato raggiunto presso il Rhic (Relativistic Heavy Ion Collider) a New York, uno dei due collisori a ioni pesanti al mondo, insieme all’Lhc al Cern di Ginevra.

Una zuppa primordiale caldissima

La sostanza ricreata in laboratorio, e all’origine dell’Universo, si chiama plasma di quark e gluoni, ed è uno stato quantistico inesistente in natura e scoperto relativamente di recente. È da questo materiale che hanno avuto origine i primi atomi, e dunque tutta la materia come la conosciamo oggi. Attraverso lo scontro di nuclei atomici, i ricercatori sono riusciti a generare piccole gocce di questo plasma ultra- caldo di quark e gluoni, una sorta di zuppa primordiale caldissima, i cui ingredienti sono appunto i quark e i gluoni. Si tratta di particelle elementari che costituiscono particelle composte, come i protoni e i neutroni, i mattoncini che a loro volta compongono insieme agli elettroni tutti gli atomi. Per questa ragione, ricreare il plasma di quark e gluoni è importante: serve a capire sia com’era fatto l’Universo nei suoi primi istanti di vita, sia come si è formata tutta la materia nello stato attuale.

L’origine dell’Universo, in “goccioline”

Da tempo gli scienziati impegnati in ambiziosi esperimenti di fisica delle particelle stanno studiando questo stato della materia. Oggi però i ricercatori sono riusciti a compiere un passo più riuscendo a controllare la forma delle goccioline di plasma di quark e gluoni dell’origine dell’Universo riprodotte in laboratorio: simili a cerchi, triangoli od ovali.

Crediti immagine:  Javier Orjuela Koop

La possibilità di determinare la forma deriva dal fatto che il plasma si comporta come un liquido. Tuttavia, modificare l’aspetto delle goccioline non è stato semplice: per farlo i ricercatori hanno dovuto scegliere e cambiare opportunamente le particelle utilizzate negli scontri all’interno del grande collider Rhic.

Come si ottengono queste forme

Per ottenere goccioline di plasma di forme diverse, dicevamo, si devono scegliere proiettili diversi (combinazioni di protoni e neutroni) da sparare contro il bersaglio, costituito da nuclei di atomi d’oro. Ad esempio, facendo scontrare i protoni da soli, si ottiene una goccia simile a un cerchio. Quando il proiettile invece è costituito da un protone e un neutrone si ottiene una forma più ovale, che ricorda un’ellisse. E ancora, quando due protoni e un neutrone urtano contro il bersaglio si genera una goccia  che ricorda la forma di un triangolo.

Crediti immagine: Javier Orjuela Koop, University of Colorado, Boulder

Ma come nascono queste forme diverse? Per spiegarlo i ricercatori sono ricorsi a un’immagine che tutti conosciamo: quella dei sassi lanciati in una pozza d’acqua. Quando se ne lancia uno in uno stagno si ottiene un’onda circolare; quando si lanciano due sassi, vicini fra loro e in maniera quasi contemporanea, le due onde prodotte si fondono fra loro creando una figura simile a un’ellisse. E ancora, nel caso di tre sassi, tre onde si intersecano, producendo una forma che ricorda quella di un triangolo. Al posto dei sassi i ricercatori hanno utilizzato pacchetti di particelle (protoni e neutroni), lanciate non in uno stagno ma contro un bersaglio fatto di nuclei di atomi.

Studiare le diverse forme del plasma di quark e gluoni è importante per confrontare i risultati sperimentali con i modelli teorici. E i risultati ottenuti finora, spiegano i ricercatori, sono in accordo con i modelli teorici che descrivono il plasma di quark e gluoni e ci consentono di fare un piccolo passo in avanti per capire com’era la materia all’origine dell’Universo.

Riferimento: Nature Physics