Introduzione al plasma di quark e gluoni (QGP)
Il plasma di quark e gluoni (QGP) è uno stato della materia estremamente affascinante che gli scienziati riescono a creare in laboratorio attraverso la collisione di due nuclei pesanti. Questo processo porta alla formazione di una palla di fuoco QGP che, seguendo le leggi dell’idrodinamica, si espande e si raffredda. Alla fine di questo processo, emergono particelle subatomiche (protoni, pioni e altri adroni, ovvero particelle composte da due o più quark) che vengono osservate e conteggiate dai rilevatori che circondano il punto di collisione. Le fluttuazioni nel numero di queste particelle da una collisione all’altra forniscono informazioni cruciali sul QGP.
Tuttavia, estrarre queste informazioni da ciò che gli scienziati possono osservare è un compito arduo. Un approccio chiamato principio di massima entropia fornisce un collegamento fondamentale tra queste osservazioni sperimentali e l’idrodinamica della palla di fuoco QGP.
Adronizzazione e nuove ricerche
Man mano che una palla di fuoco QGP si espande e si raffredda, arriva un punto in cui diventa troppo diluita per essere descritta dall’idrodinamica. In questa fase, il QGP ha “adronizzato”, il che significa che la sua energia e altre proprietà quantistiche sono trasportate dagli adroni. Questi ultimi “congelano” – fissano le informazioni sullo stato idrodinamico finale della palla di fuoco QGP, permettendo alle particelle che emergono dalla collisione di trasportare queste informazioni ai rilevatori in un esperimento.
Nuove ricerche forniscono uno strumento per utilizzare le simulazioni al fine di calcolare le fluttuazioni osservabili nel QGP. Ciò ha permesso ai ricercatori di utilizzare il freeze out per identificare indizi di un punto critico tra una palla di fuoco QGP e uno stato adronizzato gassoso. Questo punto critico è una delle domande irrisolte sulla cromodinamica quantistica, la teoria delle interazioni forti guidate dai gluoni tra i quark.
Implicazioni sperimentali e il principio di massima entropia
Le fluttuazioni nel QGP trasportano informazioni sulla regione del diagramma di fase QCD in cui avviene il ”freeze out” delle collisioni. Questo rende cruciale il collegamento tra le fluttuazioni nell’idrodinamica e le fluttuazioni degli adroni osservati, un passo fondamentale per tradurre le misurazioni sperimentali nella mappatura del diagramma di fase QCD. Grandi fluttuazioni da evento a evento sono segni sperimentali inequivocabili del punto critico.
I dati del programma Run-I Beam Energy Scan (BES) presso il Relativistic Heavy-Ion Collider (RHIC) suggeriscono la presenza del punto critico. Per seguire questo indizio, i ricercatori dell’Università dell’Illinois a Chicago hanno proposto un approccio nuovo e universale per convertire le fluttuazioni idrodinamiche in fluttuazioni delle molteplicità adroniche.
Questo approccio supera elegantemente le sfide affrontate dai tentativi precedenti di risolvere questo problema. In modo cruciale, il nuovo approccio basato sul principio di massima entropia preserva tutte le informazioni sulle fluttuazioni delle quantità conservate descritte dall’idrodinamica.
La procedura di freeze-out e le sue applicazioni
La nuova procedura di freeze-out troverà applicazioni nei calcoli teorici delle fluttuazioni e delle correlazioni da evento a evento osservate in esperimenti come il programma Beam Energy Scan presso il RHIC, mirato a mappare il diagramma di fase QCD.
La ricerca supportata dal Dipartimento dell’Energia
Questo lavoro è supportato dall’Ufficio di Scienza del Dipartimento dell’Energia, Ufficio di Fisica Nucleare, nell’ambito del BEST Topical Collaboration.
Riferimenti e pubblicazioni
Il riferimento principale per questa ricerca è il lavoro “Maximum Entropy Freeze-Out of Hydrodynamic Fluctuations” di Maneesha Sushama Pradeep e Mikhail Stephanov, pubblicato il 20 aprile 2023 su Physical Review Letters.
