Le idee chiave
- Fisici del MIT e della UCSB hanno calcolato come un quark pesante relativistico potrebbe cambiare quantità di moto attraversando un gas di quark e gluoni debolmente interagenti.
- Il calcolo prevede una distribuzione simile a una campana per gli urti piccoli, ma cambiamenti grandi più frequenti e asimmetrici.
- Il confronto con gli esperimenti è proposto come possibile metodo per studiare la struttura microscopica del plasma; la fonte non riferisce alcuna verifica sperimentale della previsione.
Un calcolo per studiare il plasma primordiale
Nella prima frazione di secondo dopo il Big Bang, la materia esisteva come plasma di quark e gluoni a un bilione di gradi. Questa miscela di particelle durò alcuni microsecondi, prima che i suoi componenti si unissero formando protoni e neutroni più stabili. Per studiare questo fluido primordiale, gli scienziati ricreano plasmi di quark e gluoni negli acceleratori di particelle: le collisioni di ioni producono gocce grandi all’incirca quanto un nucleo atomico, che esistono appena decine di septilionesimi di secondo. MIT
Una strategia consiste nel seguire particelle pesanti che non fanno parte del plasma, ma lo attraversano. Il modo in cui si muovono può rivelare aspetti della struttura microscopica del fluido. Tuttavia, trasferire senza modifiche la descrizione classica del moto browniano a queste condizioni estreme presenta un problema: a velocità prossime a quella della luce, la relazione attesa tra l’attrito e le fluttuazioni del fluido non coglie appieno le interazioni.
Fisici del MIT e dell’Università della California a Santa Barbara (UCSB) hanno sviluppato una teoria che prevede come un fluido possa spingere e frenare una particella relativistica. Secondo la notizia del MIT, il gruppo propone che la teoria potrebbe applicarsi ai quark pesanti che attraversano il plasma di quark e gluoni. Le sue previsioni potrebbero essere confrontate con gli esperimenti per caratterizzare la struttura microscopica del plasma; la notizia non riferisce che tale verifica sia già stata effettuata. MIT
Dagli urti browniani ai cambiamenti relativistici
Nel 1905, Albert Einstein descrisse come il moto irregolare di particelle sospese in un fluido possa fornire informazioni sulle forze microscopiche di quel mezzo. In tale spiegazione, il moto deriva da un equilibrio tra l’attrito, che tende a frenare la particella, e le spinte casuali del fluido. La probabilità di queste spinte è rappresentata da una curva a campana: quelle di intensità intermedia sono più probabili, mentre quelle estreme lo sono meno.
Nel nuovo studio, Jean Du Plessis, del Centro di Fisica Teorica del MIT, e Bruno Scheihing-Hitschfeld, del Kavli Institute for Theoretical Physics della UCSB, hanno calcolato le forze che un quark pesante sperimenterebbe muovendosi a velocità relativistiche attraverso un fluido. A tale scopo hanno effettuato calcoli della forza nucleare forte, che tiene uniti quark e gluoni. Come punto di partenza hanno scelto un gas di quark e gluoni debolmente interagenti, perché le interazioni deboli rendevano gestibili i calcoli.
Partendo da questo scenario, hanno calcolato quanto potrebbe cambiare la quantità di moto del quark e hanno ottenuto una distribuzione di probabilità per tali cambiamenti. Per gli urti piccoli, la curva conserva una forma simile a una campana. I suoi estremi, invece, sono disuguali: gli urti grandi sono più frequenti di quanto prevedrebbe la curva browniana e non hanno la stessa probabilità in direzioni opposte. In particolare, è più probabile un urto grande che freni il quark più del previsto in base all’attrito rispetto a un urto di entità equivalente che lo faccia avanzare più velocemente del previsto. MIT
| Aspetto | Immagine browniana abituale | Previsione per quark pesanti relativistici |
|---|---|---|
| Cambiamenti piccoli | Distribuzione a campana | Forma simile a una campana |
| Urti grandi | Molto rari agli estremi | Più frequenti di quanto preveda la campana |
| Direzione degli urti estremi | La distribuzione abituale non descrive l’asimmetria indicata | È più probabile un urto grande che frena il quark più del previsto in base all’attrito rispetto a uno altrettanto grande che lo lascia muoversi più velocemente del previsto |
La tabella riassume il calcolo teorico presentato dal MIT; non rappresenta una distribuzione misurata sperimentalmente. MIT
Una struttura che potrebbe offrire nuovi indizi
Il gruppo ha ripetuto il calcolo per plasmi composti da particelle diverse e ha trovato la stessa curva inclinata, indipendentemente dalla composizione considerata. Ha inoltre individuato una struttura simile in un precedente calcolo di un plasma fortemente accoppiato, nonostante le differenze nella fisica microscopica. Du Plessis ha descritto questo schema come apparentemente universale e ha osservato che il lavoro lo formalizza. La fonte presenta questi risultati come calcoli teorici, non come una conferma sperimentale indipendente. MIT
La possibile utilità del risultato dipende dal comportamento dei quark pesanti negli esperimenti. Se la frequenza dei cambiamenti grandi dipende dalla natura microscopica del plasma, misurarli potrebbe fornire informazioni aggiuntive sul mezzo. Gli autori propongono di confrontare le loro previsioni con gli esperimenti per caratterizzare il plasma e studiare quale tipo di fluido esistesse nei primi momenti dell’universo. Questo confronto è presentato come una possibilità futura, non come un risultato già ottenuto.
Du Plessis interpreta inoltre il plasma primordiale come forse più simile a un liquido che a un gas e più fortemente interagente di quanto suggerirebbe il modello browniano. La notizia attribuisce questa interpretazione al ricercatore; non la presenta come un’osservazione diretta del plasma primordiale. MIT
Ricerca e contesto istituzionale
Il MIT riferisce che Du Plessis e Scheihing-Hitschfeld hanno riportato i loro risultati quel giorno su Physical Review Letters. La ricerca ha ricevuto un sostegno parziale dall’Ufficio di Fisica Nucleare dell’Ufficio della Scienza del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, dalla Fondazione Nazionale per la Scienza degli Stati Uniti (NSF) e dalla Fondazione Simons. MIT
Come contesto istituzionale, la NSF dichiara di sostenere la ricerca di base e applicata principalmente attraverso sovvenzioni, oltre a supportare collaborazioni e infrastrutture scientifiche. Queste informazioni descrivono il ruolo generale dell’agenzia, ma non confermano in modo indipendente i risultati dello studio. NSF: sostegno alla ricerca
Il riferimento della NSF alla ricerca sui materiali descrive programmi incentrati sulla comprensione dei materiali, delle loro proprietà e delle possibili applicazioni. Non fornisce informazioni specifiche sul plasma di quark e gluoni né convalida il calcolo presentato dal MIT. NSF: ricerca sui materiali
Ciò che sappiamo e i suoi limiti
Il risultato descritto è teorico e parte da uno scenario di quark e gluoni debolmente interagenti, scelto per rendere gestibili i calcoli. L’applicazione al plasma di quark e gluoni e il confronto con gli esperimenti sono presentati come possibilità, non come risultati già ottenuti. L’apparente universalità si basa su calcoli condotti per plasmi diversi e sul confronto con un calcolo precedente, non su una conferma sperimentale indipendente. I riferimenti della NSF forniscono un contesto istituzionale e non verificano la scoperta.
Segui le prove
Le fonti originali per approfondire questa spiegazione e i suoi limiti.
- Studi e risultati: come la NSF sostiene la ricerca NSF
-
Come si organizza la ricerca sui materiali e quali sono i suoi risultati
NSF
Riferimento istituzionale di contesto. Non costituisce una conferma indipendente dei risultati della fonte principale. - Definire la struttura del plasma di quark e gluoni, il primo fluido dell’universo MIT