Roma, 20 mar. (askanews) – L’esperimento ALICE all’acceleratore LHC del CERN ha osservato per la prima volta, nelle collisioni protone-protone e protone-nucleo, un effetto tipicamente associato al plasma di quark e gluoni (QGP), lo stato primordiale che caratterizzava la materia pochi milionesimi di secondo dopo il big bang. Finora, informa una nota, si riteneva che questo effetto – noto come flusso anisotropo, in cui le particelle prodotte in una collisione non si distribuiscono uniformemente, ma mostrano direzioni preferenziali – si potesse creare soltanto nelle collisioni tra ioni pesanti, come quelle piombo-piombo, ma ALICE ha osservato l’emergere di una sorta di “flusso collettivo” dei quark anche nelle collisioni tra protoni. Il risultato è stato pubblicato oggi, 20 marzo 2026, in un articolo su Nature Communications, dove la collaborazione ALICE, di cui fa parte anche l’INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, descrive come il comportamento collettivo osservato nelle collisioni di sistemi piccoli, quelli dei protoni, abbia origine a livello di quark, e venga trasmesso alle particelle composite (gli adroni, come i protoni e i neutroni) tramite il meccanismo della coalescenza dei quark, in cui quark vicini e in movimento collettivo si combinano per formare gli adroni, appunto.
Protoni e neutroni sono composti da elementi fondamentali chiamati quark e gluoni, collettivamente noti come partoni, che a temperature ordinarie restano confinati all’interno degli adroni, come descritto dalla cromodinamica quantistica (QCD), la teoria che spiega l’interazione nucleare forte. Tuttavia, in ambienti estremamente caldi e densi, quark e gluoni possono temporaneamente liberarsi in uno stato non confinato chiamato plasma di quark e gluoni. Questo stato, che costituiva l’universo pochi microsecondi dopo il big bang, viene ricreato per frazioni infinitesimali di secondo all’acceleratore LHC del CERN, facendo collidere nuclei pesanti, come i nuclei di piombo. Fin dai primi anni del programma sperimentale di LHC, però, sono stati osservati, in modo del tutto inaspettato, alcuni dei segnali del QGP anche in collisioni tra protoni, nelle quali si riteneva non si potessero raggiungere le condizioni necessarie a formare un sistema di quark in espansione. Tra questi segnali, che emergono in maniera graduale all’aumentare del numero di particelle prodotte nella collisione, spiccano l’abbondanza di quark del tipo “strange”, e il comportamento collettivo a lungo raggio delle particelle prodotte. Queste inattese osservazioni hanno aperto la domanda fondamentale se esista una “soglia”, in termini di dimensioni del sistema, per la produzione del QGP o se invece piccolissime “gocce” di questa forma di materia si formino anche in collisioni di protoni.
Un segnale fondamentale della formazione del plasma di quark e gluoni è il cosiddetto flusso anisotropo, in cui le particelle prodotte in una collisione non si distribuiscono uniformemente, ma mostrano direzioni preferenziali, determinate dalla geometria della collisione e dal profilo di pressione. La collaborazione ALICE ha misurato il flusso anisotropo di mesoni (pioni carichi, kaoni, kaoni neutri), che contengono due quark, e barioni (protoni, barioni lambda), che contengono tre quark, in collisioni protone-protone e protone-nucleo. Per la prima volta, le misure di ALICE mostrano una differenza di comportamento tra il flusso dei barioni e quello dei mesoni nelle collisioni protone-protone e protone-piombo, in particolare nelle collisioni che producono un numero molto elevato di particelle.
Le simulazioni fisiche che incorporano il flusso anisotropo dei quark e la loro successiva coalescenza in nuove particelle spiegano con successo i risultati più recenti dell’esperimento ALICE. Al contrario, i modelli che escludono uno dei due componenti non riescono a riprodurre le osservazioni. “Le misure attuali, insieme ai confronti con calcoli teorici allo stato dell’arte, forniscono prove che il sistema creato nelle collisioni protone-protone e protone-piombo con un numero elevato di particelle prodotte includa una fase in cui si sviluppa brevemente un flusso collettivo dei quark, simile a quello osservato nelle collisioni tra ioni pesanti”, commenta Andrea Dainese, ricercatore della Sezione INFN di Padova e vicecoordinatore della collaborazione ALICE. “Allo stesso tempo, queste misure evidenziano i limiti degli attuali modelli teorici. Sebbene i calcoli che includono la coalescenza dei quark descrivano qualitativamente le osservazioni, rimangono discrepanze quantitative con i dati di ALICE, dovute in gran parte alle incertezze nella modellizzazione della sottostruttura del protone e delle sue fluttuazioni”, conclude Dainese.
Le collisioni di nuclei di ossigeno registrate durante una breve campagna nel 2025 forniranno ulteriori informazioni importanti, poiché producono stati finali con molteplicità di particelle simili ma presentano condizioni iniziali meglio controllate rispetto alle collisioni indotte da protoni.