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Il Big Bang in miniatura Il Big Bang in miniatura ABROOKHAVEN COLLISIONI AD ALTISSIMA ENERGIA CON NUCLEI DI ATOMI D'ORO: L'OBIETTIVO E' RICREARE UN «PLASMA DI QUARK» SIMILE A QUELLO CHE COSTITUIVA L'UNIVERSO NEONATO NEL NUOVO CICLO DI ESPERIMENTI INIZIATO A GENNAIO NEL LABORATORIO AMERICANO ATOMI IONIZZATI DEL METALLO PREZIOSO Si URTANO CON NUCLEI DI DEUTERIO | FISICA j COSMOLOGIA E PARTICELLE ELEMENTARI Marta Cerù CON il 2003 è iniziato un nuovo ciclo di ricerca nei laboratori americani di Brookhaven, dove si trova la macchina più grande del mondo per gh esperimenti di fisica nucleare. Il colhsore relativistico di ioni pesanti, RHIC (Relativistic Heavy lons Collider), è un acceleratore di due anelli concentrici che si intersecano in sei punti di interazione. Un sistema di apparecchiature di accelerazione prepara gli ioni pesanti, cioè atomi di massa elevata che hanno perso la loro nuvola di elettroni e sono quindi carichi positivamente. Una volta inseriti in direzioni opposte nei due anelli, gli ioni accelerano fino a raggiungere velocità vicine a quelle della luce e si scontrano nei punti di interazione. Quando ciò avviene si libera una grande quantità di energia. Ma che cosa succede a protoni e neutroni? È ciò che i fisici stanno cercando di investigare. È possibile, infatti, che alle energie raggiunte, diecimila volte l'eneigia del Sole, gh ioni si fondano in uno stato chiamato «pla¬ sma di quark e gluoni» (QGP). Siamo abituati a pensare all' atomo come un nucleo di protoni e neutroni con intorno una nuvola di elettroni. Ma protoni e neutroni non sono costituenti ultimi, sono a loro volta formati da particelle chiamate quark, tenuti insieme da una forza mediata da altre particeUe chiamate gluoni. È un po' come quando si descrive la forza elettromagnetica tra elettroni mediata dai fotoni, le particelle che costituiscono la luce. Nel caso dei nuclei siamo nel campo della «forza forte», e le interazioni forti sono proprio l'oggetto di studio dell'acceleratore di ioni pesanti. In particolare ciò che i fisici cercano di capire è il comportamento di uno stato della materia in cui quark e gluoni sono praticamente liberi in un plasma e non costretti a formare protoni e neutroni. Dietro lo studio del plasma di quark e gluoni e deUe interazioni forti si nasconde la possibUità di capire come si sia formato l'universo, e cosa sia successo durante il primo secondo dopo il Big Bang, circa 14 miliardi di anni fa. Guardare alle interazioni che avvengono a Brookhaven è come far un viaggio indietro nel tempo a una frazione di secondo dall'inizio di tutto, subito dopo un periodo di rapida espansione chiamato inflazione. Quando l'universo era grande come un'arancia, densità e temperatura erano tali che quark e gluoni erano liberi in uno stato di plasma. Con l'espansione successiva, l'universo ho raggiunto le dimensioni del sistema solare, e si è raffreddato al punto che i quark hanno cominciato a unirsi e formare particelle in legami praticamente indivisibili. RHIC è il primo acceleratore progettato per raggiungere altissime energie grazie allo scontro di ioni pesanti. I lavori iniziarono nel 1991,. con un progetto di un anello circolare del diametro di 3,8 chilometri dal costo di 200 milioni di dollari. Poco dopo furono interrotti perché sembrava che i magneti necessari per accelerare le particelle e mantenerle su una traiettoria circolare non sarehberostatiadattiaoontenerle. Superate le difficoltà e costruita la macchina da 600 milioni di dollari, il primo ciclo di esperimenti è cominciato a giugno del 2000 e oggi si continuano a cercare risposte in un campo della fisica che è ai confini tra lo studio delle particeUe, l'astrofisica e la cosmologia. Nei cich precedenti i fisici di Brookhaven hanno accelerato e fatto scontrare ioni di oro, uno degh elementi più. pesanti, con 79 protoni e 118 neutroni. Molti dei dati raccolti sembrano indicare la creazione del plasma di quark e gluoni. La novità del nuovo ciclo è far scontrare i pesanti ioni oro con ioni di deuterio, molto più leggeri perché costituiti solo da un protone e un neutrone. Lo scopo è avere un termine di paragone per capire se queUo che si è osservato nei cich precedenti è proprio U plasma cercato. Spiega Thomas Kirk, co-direttore del laboratorio di Brookhaven per la fisica nucleare: «Se i protoni e i neutroni che formano U nucleo atomico fossero indistruttibili come deUe piccole sfere formate da quark e gluoni legati in maniera inscindibUe, le proprietà di una colhsione tra oro e deuterio si ricaverebbero in maniera semphee, con un'operazione di «scahng», daUe proprietà di una collisione oro-oro. Ma noi pensiamo che in realtà le collisioni oro-oro aUe energie raggiunte da RHIC producano un gas caldissimo di quark e gluoni. E in questo caso ciò che si misurerà con U nuovo ciclo di interazioni non sarà riducibUe in maniera semphee a queUo che si è osservato finora. In due anni RHIC ha prodotto più di quaranta articoli di novità nucleari ma U problema del plasma di quark e gluoni è ancora aperto».