Nei primissimi istanti dopo il Big Bang, l’universo non era fatto di atomi, stelle o galassie, ma di una sostanza estrema e rovente: il plasma di quark e gluoni. A temperature di trilioni di gradi, quark e gluoni scorrevano liberi in una sorta di brodo primordiale che esistette solo per pochi microsecondi, prima di raffreddarsi e dare origine alle particelle fondamentali che conosciamo oggi.

Ora, un nuovo studio guidato da fisici del MIT e condotto al CERN fornisce la prima prova diretta che questa “zuppa primordiale” si comportava davvero come un liquido. Analizzando i dati del Large Hadron Collider (LHC), i ricercatori hanno osservato che i quark, mentre attraversano il plasma di quark e gluoni (QGP), lasciano dietro di sé una vera e propria scia, simile alle increspature prodotte da un’anatra che nuota sull’acqua.

Per ricreare le condizioni dell’universo neonato, gli scienziati fanno collidere ioni pesanti, come quelli di piombo, a velocità prossime a quella della luce. Queste collisioni generano per un istante minuscole gocce di QGP, permettendo di studiare una forma di materia che non esiste più in natura. Fino a oggi, però, mancava una dimostrazione chiara che questo plasma reagisse alle particelle in movimento come un fluido compatto, anziché come un insieme disordinato di particelle indipendenti.

Il team guidato da Yen-Jie Lee, professore di fisica al MIT, ha superato questo limite sviluppando una nuova tecnica di analisi. Invece di osservare coppie di quark e antiquark, che tendono a mascherare a vicenda le rispettive scie, i ricercatori hanno sfruttato eventi rari in cui un quark viene prodotto insieme a un bosone Z. Quest’ultimo, essendo elettricamente neutro e poco interattivo, funge da “marcatore”: non disturba il plasma, ma indica con precisione la direzione opposta a quella del quark.

Analizzando circa 2.000 eventi selezionati tra 13 miliardi di collisioni, gli scienziati hanno osservato schemi energetici coerenti con vortici e spruzzi nel plasma, attribuibili unicamente al passaggio dei singoli quark. Un risultato che conferma le previsioni teoriche del cosiddetto modello ibrido, secondo cui il QGP risponde come un fluido quasi perfetto alle particelle che lo attraversano.

“Il plasma è così denso da riuscire a rallentare un quark e a produrre scie e vortici come un liquido”, spiega Lee. “Questo dimostra che la zuppa di quark e gluoni era davvero una zuppa”. Secondo i ricercatori, studiare forma, estensione e dissipazione di queste scie permetterà di comprendere meglio le proprietà di uno dei fluidi più caldi e più ‘perfetti’ mai esistiti.

Il lavoro, realizzato dalla CMS Collaboration e pubblicato su Physics Letters B, rappresenta una pietra miliare nello studio delle origini dell’universo. Per la prima volta, gli scienziati sono riusciti a “fotografare” il comportamento dinamico della materia primordiale, avvicinandosi un po’ di più a capire come tutto ebbe inizio.

Un quark sfreccia attraverso il plasma di quark e gluoni, creando una scia nel plasma. “Studiare come le scie di quark rimbalzano avanti e indietro ci fornirà nuove informazioni sulle proprietà del plasma di quark e gluoni”, afferma Yen-Jie Lee.

Crediti:Credito: Jose-Luis Olivares, MIT