Il plasma di quark e gluoni: l’Universo in laboratorio

1. La materia nucleare

qpgIl percorso ”Il plasma di quark e gluoni: l’Universo in laboratorio" ci porta a conoscere uno stato della materia che in condizioni normali non potremmo osservare. I quark e i gluoni, infatti, nella materia ordinaria esistono soltanto in stati legati a formare le particelle adroniche (mesoni e barioni). Ma alcuni microsecondi dopo il Big Bang erano liberi, in uno stato chiamato plasma di quark e gluoni. Questo plasma puo' essere riprodotto in laboratorio facendo scontrare nuclei accelerati a energie ultra-relativistiche. Questo è proprio quello che avviene all’acceleratore LHC del CERN.

 

percorso di Chiara Oppedisano

La materia ordinaria, che compone tutto ciò che ci circonda, è formata da atomi. Un atomo è formato da un nucleo, composto a sua volta da neutroni e protoni attorno al quale ruotano gli elettroni. I neutroni e i protoni sono tenuti insieme dall’interazione forte, gli elettroni (che hanno carica elettrica negativa) sono legati ai protoni del nucleo (carica elettrica positiva) dalla forza elettromagnetica. L’atomo stabile è elettricamente neutro e contiene cariche positive (protoni) e negative (elettroni) in egual numero.

fig1 atomo quarkFig.1: Struttura microscopica dell’atomo, costituito da nucleo ed elettroni e struttura del protone (neutrone) formato da 3 quark.

Gli elettroni sono particelle fondamentali, cioè senza struttura, mentre protoni e neutroni sono a loro volta formati da particelle elementari, i quark. Il protone è composto da 2 quark di tipo “up” e 1 di tipo “down”, il neutrone da 2 quark di tipo “down” e 1 di tipo “up”. L’interazione tra i quark è mediata dai gluoni, nome che deriva dall’inglese “glue” (colla).
Nella materia “ordinaria”, ovvero come appare in natura, quark e gluoni sono confinati a formare gli adroni, legandosi in due modi diversi e dando così origine a due “famiglie” di particelle: i barioni (come protoni e neutroni) sono particelle composte da 3 quark, i mesoni sono invece composti da una coppia quark anti-quark. In natura non si osservano quark liberi, il fenomeno prende il nome di confinamento.

fig2 protone mesone

Fig.2: I barioni, come neutroni e protoni, sono formati da 3 quark, mentre i mesoni  sono formati da un quark e un anti-quark. I quark sono legati dai gluoni, particelle mediatrici dell’interazione forte.

La teoria che descrive la materia nucleare e l’interazione forte è la Quanto-Cromodinamica Quantistica (QCD). Questa teoria prevede che se i barioni e i mesoni vengono fortemente compressi (aumentando quindi la densità) o riscaldati (aumentando la temperatura), si verifica una transizione di fase, analogamente a quanto avviene quando si scalda l’acqua e si osserva la transizione da stato liquido a gassoso. Nel caso della materia nucleare, si passa dallo stato in cui quark e gluoni sono confinati a formare barioni e mesoni a uno stato in cui i quark e i gluoni sono liberi, il cosiddetto plasma di quark e gluoni, o QGP dall’inglese “Quark-Gluon Plasma”. La temperatura necessaria affinché la transizione di fase avvenga è di circa 150 milioni di elettronvolt (150 MeV), che equivale a quasi 2 migliaia di miliardi di gradi centigradi, insomma una temperatura circa 1.000.000 volte quella del centro del Sole! Queste condizioni, come vedremo, erano verificate nell’Universo primordiale, appena una decina di microsecondi dopo il Big Bang.

fig3 diagramma

Fig.3: Diagramma di fase della materia nucleare. Aumentando la temperatura o la densità della materia nucleare avviene una transizione allo stato di plasma di quark e gluoni liberi. Ad altissime densità e basse temperature si trovano le stelle di neutroni, mentre l’Universo primordiale, qualche microsecondo dopo il Big Bang, si trovava a temperature molto elevate e basse densità.

 

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