Bruno Ghidini

Dipartimento interateneo di Fisica, Bari e Sezione INFN di Bari

Ogni fenomeno, perché sia scientificamente valido, deve essere confermato dall'osservazione sperimentale. Questa, però, non sempre può essere diretta, come quando vediamo con i nostri occhi una stella cadente, o con un cannocchiale gli anelli di Saturno. Molto spesso ­ ed è il caso del plasma di quark e gluoni (QGP)-- possiamo soltanto rilevare, con i nostri strumenti, dei segnali caratteristici, che sono manifestazioni indirette ma peculiari del fenomeno, di cui costituiscono una sorta di "firma". Sintetizziamo in questo articolo e nei due successivi alcuni fra i più significativi di tali segnali, raccolti da diversi esperimenti svolti al CERN, la cui analisi complessiva ha permesso di raggiungere una convincente evidenza della formazione del QGP.

Il QGP è una specie di gas ad altissima temperatura, composto da un gran numero di quark, antiquark e gluoni[nota 1]. Proprio come un gas, che, espandendosi, si raffredda e si condensa (si pensi ad una nuvola di vapore che si condensa in goccioline d'acqua), anche il plasma "si condensa", producendo un gran numero di particelle, cheemergono dalla zona di interazione e possono venir osservate dagli sperimentatori (Fig. 1).

Grazie ad una proprietà quantistica di correlazione fra particelle identiche, con una sofisticata tecnica di analis, è possibile ricavare le dimensioni della sorgente (cioè del sistema nel momento in cui le particelle hanno cessato di interagire), la sua velocità di espansione e la sua temperatura: negli esperimenti NA44 e NA49 del CERN si è così trovato che la sorgente raggiunge un volume oltre 30 volte maggiore di quello nucleare ed è ancora in fase fortemente esplosiva, con una velocità di espansione pari a circa la metà della velocità della luce. Queste condizioni non si verificano in una normale interazione fra adroni e quindi sono da considerarsi una prima evidenza della formazione del plasma. Un altro segnale caratteristico è l'incremento di "stranezza", una misura di quanti quark e antiquark di tipo s (detti, appunto, "strani") sono presenti nell'adrone. All'interno del plasma si generano coppie di quark e antiquark strani in misura molto più abbondante che nelle normali reazioni fra adroni. Poiché questi quark si conservano nelle interazioni forti, il numero di particelle con quark s deve essere molto maggiore di quello che si avrebbe se non fosse stato prodotto il plasma. Questo incremento è stato effettivamente osservato, arrivando fino ad un fattore 15 per il barione Omega che contiene tre quark strani (esperimento WA97). Il QGP, in quanto ambiente ad alta densità di cariche di colore [nota2], determina delle modifiche nella formazione e nella struttura di alcune particelle instabili. Tali modifiche possono essere rilevate dall'analisi delle coppie di leptoni [nota 3], i quali, interagendo molto poco con il plasma, possono portar fuori quasi intatte tutte le informazioni (esperimento NA45). Particolarmente interessante in questo contesto è lo studio delle particelle J/, formate da un quark e un antiquark di tipo c. Nel plasma la forza attrattiva fra il quark c e l'antiquark c dovrebbe venir parzialmente schermata e quindi ridotta la quantità di particelle J/ osservabili fuori della zona di interazione. Il modo migliore per studiare le J/ è rivelarne i decadimenti in coppie muone-antimuone: questo è fatto nell'esperimento NA50, che osserva la prevista riduzione in misura crescente con la complessità dei nuclei interagenti. Un'osservazione diretta del QGP dovrebbe, teoricamente, essere fornita dalla radiazione elettromagnetica emessa sotto forma di fotoni durante lo stadio iniziale più caldo. Questi possono essere prodotti facilmente nel plasma sia nell'annichilazione di un quark e un antiquark, sia nell'interazione fra un quark e un gluone; essi fuoriescono quasi indisturbati, con una distribuzione di energia che riflette quella dei quark e gluoni nel plasma, e quindi possono fornire informazioni dirette sullo stato termodinamico del mezzo, in particolare la temperatura, al momento della loro produzione. Sfortunatamente, anche le interazioni fra adroni successive alla condensazione del plasma possono produrre fotoni in maniera considerevole e, poiché la temperatura di questi ultimi, alle energie del SPS, è soltanto di poco inferiore a quella del plasma, è estremamente difficile riuscire sperimentalmente a discriminare il "segnale" della produzione diretta dal "fondo" della produzione di origine adronica. L'esperimento WA98 ha osservato un eccesso di fotoni di alta energia, attribuibili a produzione diretta, ma l'evidenza è ancora piuttosto debole, e la conferma è affidata agli esperimenti della prossima generazione. Con la scoperta della formazione del quark_gluon plasma si conclude la fase pioneristica della sperimentazione con fasci di ioni pesanti accelerati dal Super--Proto_Sincrotrone del CERN. Ma è già avviata la fase di sperimentazione ad energie più elevate con fasci collidenti di ioni relativistici. Il primo passo, già in atto, si svolge al Brookhaven National Laboratory, presso Nuova York, dove è da poco entrato in funzione il Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC, in grado di produrre collisioni fino a 200 miliardi di elelttronvolt. È in fase di costruzione al CERN il Large Hadron Collider che, a partire dal 2005, produrrà collisioni fino a 5500 miliardi di elelttronvolt. Qui un complesso esperimento, battezzato ALICE (A Large Ion Collider Experiment), in grado di misurare simultaneamente tutte le osservabili di interesse. è attualmente in costruzione con lo sforzo congiunto di oltre 800 fisici di 25 paesi tra cui quasi cento italiani.Qui, la densità e temperatura iniziali molto più elevate e la durata più lunga della fase di plasma dovrebbero consentire un'adeguata caratterizzazione quantitativa e uno studio dettagliato dei processi di raggiungimento dell'equilibrio termico e della evoluzione dinamica del sistema.

Il contributo italiano alla ricerca sul plasma di quark e gluoni

L'INFN è stato coinvolto fin dall'inizio nella sperimentazione con ioni relativistici al CERN: gruppi di Bari, Roma, Salerno e Torino hanno partecipato agli esperimenti pionieristici avviati circa 14 anni fa con ioni leggeri (ossigeno e zolfo). La partecipazione italiana si è via via irrobustita e attualmente coinvolge oltre 60 fisici di otto sedi, concentrati negli esperimenti che studiano i due principali fenomeni previsti come segnali dell'avvenuta formazione del plasma: l'incremento di stranezza (esperimenti WA97/NA57) e la sparizione della particella J/Y (esperimento NA50). In entrambe le linee di ricerca la partecipazione italiana è rilevante sia quantitativamente (circa il 30% dei fisici in ciascuna delle due collaborazioni internazionali), sia qualitativamente: i ricercatori italiani hanno dato un apporto determinante alla costruzione e manutenzione degli apparati di misura e all'analisi dei dati. L'esperimento NA45 ha studiato l'emissione di elettroni nelle collisioni di ioni relativistici con un fondamentale contributo di un gruppo di Milano che per primo ha sviluppato una tecnica di rivelazione ingegnosa e innovativa, la camera a deriva a semiconduttore, che permette misure di posizione in due dimensioni con elevata precisione. Inoltre l'INFN (in particolare le Sezioni di Padova e Torino e i Laboratori Nazionali di Legnaro) ha dato anche un importante contributo tecnologico quando, agli inizi degli anni '90, è stato necessario modificare la sorgente di ioni, la linea di trasporto e di pre-accelerazione e alcune strutture del SPS per passare dall'accelerazione di nuclei di ossigeno e zolfo a quella di nuclei di piombo.

[nota 1] Vedi l'articolo "Un nuovo stato della materia: il plasma di quark e gluoni" in questo numero.

[nota 2] Si chiama "colore" la carica adronica portata dai quark e dai gluoni, responsabile delle interazioni forti.

[nota 3] Con il termine leptoni (dal greco "leptos"=leggero) si indicano le particelle non soggette alle interaziioni forti, quali gli elettroni e i muoni.