🌐 CERN ricrea la “zuppa cosmica” dei primi istanti del Big Bang

Scienziati al CERN hanno appena ricreato in laboratorio la “zuppa cosmica” primordiale, lo stato di materia dei primi microsecondi dopo il Big Bang, e per la prima volta osservato come i quark interagiscono al suo interno, rivelando dettagli chiave sulla natura dell’universo primordiale.

Negli acceleratori sotterranei del CERN (Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare) a Ginevra è stata raggiunta una pietra miliare nella fisica delle alte energie: ricreare in condizioni controllate la cosiddetta “zuppa cosmica”, il quark‑gluon plasma (QGP) che ha permeato l’universo nei primissimi microsecondi dopo il Big Bang e osservarne il comportamento interno in modi finora mai ottenuti prima.

Questo stato di materia, estremamente caldo e denso, esisteva solo per frazioni infinitesimali di secondo subito dopo il Big Bang, prima che i quark e i gluoni si combinassero per formare protoni e neutroni. Ricrearlo richiede temperature di trilioni di gradi e collisioni di ioni pesanti ad energie enormi, condizioni che il Large Hadron Collider (LHC) è in grado di generare artificialmente.

Cos’è la “zuppa cosmica” e come viene replicata

La “zuppa cosmica” non è un brodo nel senso ordinario del termine, ma uno stato di materia in cui i quark e i gluoni – i costituenti fondamentali di protoni e neutroni – non sono legati insieme come nella materia ordinaria. In questo stato, la materia si comporta in modo altamente collettivo e fluido, con proprietà simili a un liquido quasi perfetto.

Per studiarlo, i fisici usano il LHC per scontrare insieme nuclei di piombo a velocità prossime a quella della luce. Nell’attimo successivo alla collisione, per una frazione di milionesimi di miliardesimo di secondo, si crea un “micro‑universo” caldo e denso dove si può osservare il plasma primordiale.

Le nuove analisi delle collisioni hanno osservato per la prima volta come singoli quark si muovono all’interno di questa zuppa cosmica, lasciando “scie” o wake riconoscibili nelle particelle emesse dopo la collisione. Questo comportamento era stato teorizzato, ma ora è stato confermato sperimentalmente: il plasma risponde ai quark come un fluido, e non come un semplice insieme disordinato di particelle.

Un liquido primordiale sorprendete

Una delle scoperte più sorprendenti emerse dalle analisi è che la zuppa cosmica non si comporta come un gas caotico, ma come un fluido coeso con proprietà di “liquidità” estremamente bassa di viscosità. Questo significa che la materia nei primissimi momenti dell’universo si muoveva e interagiva in modo molto più ordinato di quanto molti modelli precedenti avevano previsto.

Il team di ricerca del MIT, in collaborazione con l’esperimento CMS del CERN, ha osservato oltre 2.000 eventi in cui un quark ad alta energia attraversa il plasma, lasciando una traccia simile a un’onda nel fluido, un fenomeno che fornisce la prova più diretta finora delle proprietà dinamiche di questa materia primordiale.

Perché questa scoperta è fondamentale

Questa conferma sperimentale della natura fluida della zuppa cosmica ha implicazioni profonde per la comprensione dell’universo primordiale. Le prime microsecondi dopo il Big Bang sono stati determinanti per la formazione degli elementi fondamentali dell’universo e per le forze fondamentali che regolano la materia. Studiare questo stato aiuta i fisici a testare le teorie della cromodinamica quantistica, la branca della fisica che descrive l’interazione forte tra quark e gluoni.

Inoltre, la capacità di isolare la risposta di singole particelle all’interno del plasma apre nuove strade per comprendere come il forte legame tra i costituenti fondamentali della materia si sia evoluto nel microcosmo iniziale, fornendo dati cruciali per raffinare i modelli cosmologici.

Cosa significa per i modelli cosmologici attuali

La ricreazione della zuppa cosmica in laboratorio non solo conferma anni di teorie e simulazioni al computer, ma permette anche di sondare direttamente la fisica dei primi microsecondi dopo il Big Bang, una fase della storia dell’universo estremamente difficile da osservare mediante telescopi astronomici tradizionali.

Il comportamento osservato suggerisce che la materia primordiale era sorprendentemente ordinata e coesa, una proprietà che potrebbe aiutare a spiegare aspetti fondamentali dell’evoluzione delle strutture cosmiche e la transizione verso la materia normale che costituì stelle e galassie.

Come si studia il plasma primordiale oggi

L’esperimento ALICE (A Large Ion Collider Experiment) è il fulcro di questo tipo di ricerca al CERN. Progettato specificamente per analizzare le collisioni di ioni pesanti e le particelle prodotte, ALICE misura le traiettorie e l’energia di migliaia di particelle generate da ogni collisione, consentendo ai ricercatori di ricostruire la dinamica interna del plasma primordiale.

Le tecnologie di rivelazione avanzate e le tecniche di analisi dati consentono oggi di analizzare collisioni che generano condizioni di temperatura e densità paragonabili a quelle dell’universo circa un milionesimo di secondo dopo il Big Bang. Quel “micro‑universo in miniatura” esiste solo per un istante brevissimo, ma fornisce informazioni preziose sul comportamento della materia allo stato più estremo.

Le prospettive future

La comunità scientifica internazionale guarda a questi risultati come a un punto di partenza per indagini ancora più approfondite. Nuove campagne di collisioni di ioni pesanti al LHC e aggiornamenti tecnologici agli esperimenti promettono di aumentare ulteriormente la precisione delle misure e di esplorare dettagli sempre più sottili della materia primordiale.

In particolare, comprendere come il plasma primordiale risponde alle perturbazioni e come si raffredda per formare la materia stabile potrebbe portare a nuove scoperte sulla natura delle forze fondamentali e sull’origine stessa della struttura dell’universo.

La ricreazione in laboratorio della zuppa cosmica dei primi microsecondi dopo il Big Bang non è solo una conferma di teorie decennali, ma una finestra diretta sugli istanti iniziali dell’universo, che potrebbe rivoluzionare la nostra comprensione della fisica fondamentale e della storia cosmica.