L’esperimento ALICE a LHC del CERN ha osservato per la prima volta nelle collisioni tra protoni un aumento di produzione di particelle cosiddette strane, che è uno dei fenomeni distintivi del plasma di quark e gluoni, uno stato della materia molto caldo e denso esistito appena pochi milionesimi di secondo dopo il Big Bang. Finora questa caratteristica dello stato della materia primordiale era stata osservata solamente nelle collisioni tra nuclei pesanti, e non si pensava potesse essere ritrovata anche nelle collisioni tra protoni. Questa inaspettata osservazione rappresenta una sfida ai modelli teorici esistenti, che non prevedono l’aumento di particelle strane in questi eventi. Il risultato, basato sui dati delle collisioni con protoni a 7 TeV del Run 1 di LHC, è stato pubblicato su Nature Physics il 24 aprile.
“Siamo molto entusiasti di questa scoperta”, ha commentato Federico Antinori, ricercatore dell’INFN alla guida della collaborazione internazionale ALICE. “Stiamo ancora imparando molto su questo stato estremo della materia, – prosegue Antinori – essere in grado di isolare fenomeni analoghi a quelli osservati nel plasma di quark e gluoni in un sistema più piccolo e più semplice, come la collisione tra due protoni, apre una nuova dimensione per lo studio delle proprietà di questo stato primordiale della materia da cui il nostro universo è emerso”.
“Aver osservato anche nelle collisioni protone-protone questo segnale, che normalmente è associato alla formazione del plasma di quark e gluoni nelle collisioni nucleo-nucleo, aggiunge un tassello importante alla nostra comprensione dei meccanismi di interazione fra i costituenti elementari della materia”, spiega Vito Manzari, responsabile nazionale INFN dell'esperimento ALICE. “È un risultato scientifico di grande rilevanza al cui raggiungimento hanno contribuito in modo determinante i ricercatori INFN e questo ci rende particolarmente fieri”, conclude Manzari.
La ricerca
Il plasma di quark a gluoni è uno stato della materia in cui i quark e i gluoni diventano ‘liberi’, cioè non sono più confinati all’interno degli adroni, e si ricrea in condizioni di temperature e densità estreme, condizioni che possono essere ottenute a LHC facendo collidere nuclei pesanti ad alta energia. La maggiore produzione di adroni strani è una manifestazione tipica di questo stato della materia, il cui studio rappresenta un modo per indagare le proprietà dell'interazione forte, una delle quattro forze fondamentali conosciute, che caratterizza i legami all'interno dei nuclei atomici. Il risultato pubblicato ora dall’esperimento ALICE è basato sull'osservazione degli adroni strani in quelle collisioni protone-protone nelle quali viene prodotto un gran numero di particelle. Gli adroni strani sono particelle ben note, chiamate così perché sono composte di quark, di cui almeno uno è un quark strano, un quark cioè che possiede una particolare proprietà che i fisici hanno denominato stranezza. I quark strani sono più pesanti dei quark che compongono la materia “normale” e sono difficili da produrre. Ma questo cambia quando siamo in presenza di un’elevata densità di energia (la quantità di energia per unità di volume), che riequilibra la creazione di quark strani in relazione a quelli non-strani, come nelle collisioni tra ioni pesanti. In particolare, i nuovi risultati mostrano che il tasso di produzione degli adroni strani aumenta con la ‘molteplicità’ (il numero di particelle prodotte in una data collisione) più velocemente di ciò che accade per le altre specie di particelle generate nella stessa collisione. I dati mostrano anche che maggiore è il numero di quark strani contenuti nell’adrone prodotto, maggiore è l'aumento della sua velocità di produzione. Non si osserva, invece, alcuna dipendenza dall’energia di collisione o dalla massa delle particelle generate, dimostrando che il fenomeno osservato è correlato al fatto che le particelle prodotte contengano quark strani. La produzione di stranezza è in pratica determinata contando il numero di particelle strane prodotte in una data collisione e calcolando il rapporto tra particelle strane e non-strane.
L’aumentata produzione di stranezza era stata suggerita come una possibile conseguenza della formazione del plasma di quark e gluoni fin dai primi anni ’80 del secolo scorso, e poi scoperta in collisioni tra nuclei negli anni ’90 da esperimenti al Super Proton Synchrotron (SPS) del CERN. Lo studio più preciso di questi processi sarà la chiave per comprendere più approfonditamente i meccanismi microscopici del plasma di quark e gluoni e del comportamento collettivo delle particelle in sistemi piccoli.

Il paper: Enhanced production of multi-strange hadrons in high-multiplicity proton–proton collisions