Comprendere cosa è accaduto nei primissimi istanti dopo il big bang è uno degli obiettivi più ambiziosi della fisica moderna. Grazie alla misura senza precedenti della temperatura del plasma di quark e gluoni ottenuta al RHIC, i ricercatori della Rice University hanno ricostruito con maggiore precisione come l’universo sia passato da un mare di particelle libere alla materia che conosciamo oggi.

Dal big bang al plasma di quark e gluoni

Nei microsecondi successivi al big bang, l’universo era talmente caldo e denso che protoni e neutroni non esistevano ancora: al loro posto c’era un fluido rovente di quark e gluoni, il plasma di quark e gluoni (QGP). Ricreare in laboratorio queste condizioni significa accelerare nuclei pesanti quasi alla velocità della luce e farli collidere, liberando per un istante energia paragonabile a quella dell’universo primordiale.

Il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) del Brookhaven National Laboratory è uno dei pochi impianti al mondo in grado di ottenere queste collisioni estreme. Qui i fasci di ioni d’oro si scontrano in un minuscolo volume di spazio, generando temperature di trilioni di gradi Kelvin e dando vita, per un tempo brevissimo, allo stesso stato di materia che riempiva il cosmo nascente.

Come si misura la temperatura di un “fuoco cosmico”

Misurare la temperatura del QGP non è semplice: qualunque sensore fisico verrebbe distrutto istantaneamente. Il team guidato da Frank Geurts ha utilizzato quindi una strategia indiretta, basata su particelle che attraversano il plasma senza interagire troppo. Tra queste, le coppie elettrone–positrone prodotte termicamente sono ideali: nascono all’interno del plasma e ne portano impresso il “ricordo termico” quando raggiungono i rivelatori.

Analizzando lo spettro in massa di migliaia di queste coppie, i ricercatori hanno potuto risalire alle temperature medie in diverse fasi di vita del QGP. La parte più complessa è stata la sottrazione del rumore di fondo generato da tutte le altre particelle presenti nell’urto, un lavoro di selezione e calibrazione che ha richiesto anni di sviluppi sperimentali e di analisi dati ad alta precisione.

Due temperature per raccontare la vita del plasma

Dai dati emerge un quadro dinamico. Nella regione di bassa massa delle coppie di dielettroni, la temperatura media estratta è di circa 2,01 trilioni di Kelvin. Questo valore è compatibile con la fase in cui il plasma si sta raffreddando e inizia la transizione verso la materia ordinaria, quando quark e gluoni tornano a legarsi in protoni, neutroni e altri adroni.

Per le coppie in una regione di massa più elevata, la temperatura sale fino a circa 3,25 trilioni di Kelvin. In questo caso la radiazione proviene dalla fase iniziale, la più incandescente, immediatamente successiva alla formazione del QGP. Avere due “punti di misura” lungo l’evoluzione temporale consente di tracciare una sorta di curva di raffreddamento del plasma, simile a quella che l’universo ha sperimentato nei primi microsecondi della sua storia.

Il diagramma di fase della materia e il big bang

Queste misure contribuiscono a riempire di dati sperimentali il cosiddetto diagramma di fase della cromodinamica quantistica (QCD), che descrive come la materia nucleare cambia stato al variare di temperatura e densità. Collocare con precisione il punto in cui il QGP si trasforma in materia ordinaria è essenziale per ricostruire che cosa è successo dopo il big bang e per interpretare fenomeni estremi come l’interno delle stelle di neutroni.

Una spiegazione accessibile del ruolo del plasma di quark e gluoni nella storia dell’universo è disponibile in questo approfondimento del CERN Courier, che illustra perché queste condizioni estreme siano centrali per capire l’origine della materia: leggi l’articolo sul quark–gluon plasma.

Cosa ci racconta il big bang sul futuro della fisica

Gli esperimenti al RHIC mostrano che è possibile usare i leptoni come “termometri penetranti” della materia nucleare, aprendo la strada a misure ancora più raffinate in futuro. Incrociando questi risultati con quelli che arriveranno dal Large Hadron Collider e da futuri acceleratori dedicati, i fisici potranno confrontare diversi scenari teorici e selezionare i modelli che descrivono meglio il comportamento del QGP.

Ogni nuovo punto sulla curva di temperatura del plasma rappresenta un tassello in più nella ricostruzione dei primi istanti del cosmo. Studiare come una goccia di materia primordiale nasce, si espande e si raffredda in laboratorio significa, di fatto, osservare in scala ridotta ciò che l’universo ha sperimentato all’alba del tempo. In questo modo il dialogo tra fisica delle particelle, astrofisica e cosmologia diventa sempre più stretto, offrendo una visione unificata dell’universo, dalla dimensione subnucleare fino alle più grandi strutture cosmiche.