Le coppie di quark top di ATLAS potrebbero far luce sull’universo primordiale

Redazione

Aprile 28, 2025 - 17:00

Le coppie di quark top di ATLAS potrebbero far luce sull’universo primordiale

I fisici che lavorano all’esperimento ATLAS sul Large Hadron Collider (LHC) sono i primi a riportare la produzione di coppie quark top-antiquark in collisioni che coinvolgono nuclei pesanti. Si ritiene che questo plasma abbia riempito i microsecondi dell’universo primordiale dopo il Big Bang.

I fisici che lavorano all’esperimento ATLAS sul Large Hadron Collider (LHC) sono i primi a riportare la produzione di coppie quark top-antiquark in collisioni che coinvolgono nuclei pesanti.

Facendo collidere ioni di piombo, l’LHC del CERN crea uno stato fugace della materia chiamato plasma di quark e gluoni.

Si tratta di una zuppa estremamente calda e densa di particelle subatomiche che include quark e gluoni deconfinati.

Si ritiene che questo plasma abbia riempito i microsecondi dell’universo primordiale dopo il Big Bang.

Sebbene il plasma di quark e gluoni all’LHC svanisca dopo circa 10^-23 secondi, gli scienziati possono studiarlo analizzando come altre particelle prodotte nelle collisioni si muovono attraverso di esso.

Il quark top è la particella elementare più pesante conosciuta e la sua breve durata e il distinto modello di decadimento offrono un modo unico per esplorare il plasma di quark e gluoni.

Questo perché il quark top decade prima che il plasma quark-gluoni si disperda.

“Il quark top decade in particelle più leggere che successivamente decadono ulteriormente”, spiega Stefano Forte dell’Università di Milano, che non è stato coinvolto nella ricerca.

“L’intervallo di tempo tra questi successivi decadimenti viene modificato se avvengono all’interno del plasma di quark e gluoni, e quindi studiarli è stato suggerito come un modo per sondare la struttura [del plasma di quark e gluoni]. Affinché ciò sia possibile, il primo passo è sapere quanti quark top vengono prodotti in primo luogo, e determinarlo sperimentalmente è ciò che viene fatto in questo studio [ATLAS]”.

Il team di ATLAS ha analizzato i dati delle collisioni piombo-piombo e ha cercato eventi in cui sono stati prodotti un quark top e la sua controparte di antimateria.

Queste particelle possono quindi decadere in diversi modi e i ricercatori si sono concentrati su una modalità meno frequente ma più facilmente identificabile nota come canale del dileptone. In questo scenario, ogni quark top decade in un quark bottom e in un bosone W, che è una particella debole portatrice di forza che poi si trasforma in un leptone rilevabile e in un neutrino invisibile.

I risultati non solo hanno confermato che i quark top vengono creati in questo ambiente complesso, ma hanno anche mostrato che il loro tasso di produzione corrisponde alle previsioni basate sulla nostra attuale comprensione della forza nucleare forte.

“Questo è uno studio molto importante”, afferma Juan Rojo, fisico teorico della Libera Università di Amsterdam che non ha preso parte alla ricerca.

“Abbiamo studiato per decenni la produzione di quark top, la particella elementare più pesante conosciuta, nelle collisioni protone-protone relativamente semplici. Questo lavoro rappresenta la prima volta che osserviamo la produzione di queste particelle molto pesanti in un ambiente molto più complesso, con due nuclei di piombo che si scontrano tra di loro”.

Oltre a confermare la previsione della QCD sulla produzione di quark pesanti nelle collisioni di nuclei pesanti, Rojo spiega che “abbiamo una nuova sonda per risolvere la struttura del plasma di quark e gluoni”.

Dice anche che gli studi futuri ci permetteranno di “comprendere nuovi fenomeni nelle interazioni forti, come la quantità di gluoni in un nucleo pesante che differiscono dai gluoni all’interno del protone”.

«Questo è un primo passo, cruciale, ma ulteriori studi richiederanno campioni più grandi di eventi del quark top per esplorare effetti più sottili», aggiunge Rojo.

Il numero di quark top creati nelle collisioni piombo-piombo di ATLAS concorda con le aspettative teoriche. In futuro, misurazioni più dettagliate potrebbero aiutare a perfezionare la nostra comprensione di come si comportano quark e gluoni all’interno dei nuclei.

Alla fine, i fisici sperano di utilizzare i quark top non solo per confermare i modelli esistenti, ma per rivelare caratteristiche completamente nuove del plasma di quark e gluoni.

Rojo dice che potremmo “imparare a conoscere la struttura temporale del plasma di quark e gluoni, misure che sono ‘più fini’ sarebbero migliori, ma per questo dobbiamo aspettare fino a quando non verranno raccolti più dati, in particolare durante l’imminente corsa ad alta luminosità dell’LHC”.

Badea concorda sul fatto che l’osservazione di ATLAS apre la porta a esplorazioni più approfondite. “Man mano che raccogliamo più dati sulle collisioni dei nuclei e miglioriamo la nostra comprensione dei processi del quark top nelle collisioni di protoni, il futuro aprirà prospettive entusiasmanti”.

Immagine: CERN/ATLAS Collaboration

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