Al CERN non è stato ricreato il Big Bang in miniatura nel senso letterale del termine. L’esperimento ALICE ha prodotto minuscole gocce di plasma di quark e gluoni, uno stato estremo della materia simile a quello presente nell’Universo durante il suo primo milionesimo di secondo. La sorpresa è che è stato possibile farlo facendo collidere nuclei relativamente piccoli di ossigeno-16 e neon-20, e che la forma del neon ha lasciato una firma riconoscibile nelle particelle prodotte dopo la collisione.
È un risultato che permette di affrontare contemporaneamente due domande molto diverse: quanto deve essere grande una collisione per produrre plasma di quark e gluoni? E come possiamo capire quale forma abbia un nucleo atomico che non possiamo osservare direttamente?
Per capire dove avvengono questi esperimenti è utile partire dal Large Hadron Collider, il più potente acceleratore di particelle al mondo, il gigantesco anello di 27 chilometri del CERN nel quale i nuclei vengono accelerati fino a velocità prossime a quella della luce.
Cosa ha ricreato il CERN con il “mini Big Bang”?
Il CERN non ha creato un nuovo Universo né riprodotto l’esplosione iniziale del Big Bang.
L’espressione “mini Big Bang” è una semplificazione utilizzata per descrivere ciò che accade quando nuclei atomici ad altissima energia vengono fatti collidere.
Per una frazione estremamente breve di tempo, i loro costituenti possono formare il plasma di quark e gluoni, indicato spesso con la sigla QGP.
Oggi i quark sono normalmente confinati all’interno di protoni e neutroni. Nell’Universo primordiale, invece, la temperatura era così elevata che quark e gluoni potevano muoversi liberamente in una sorta di fluido estremamente caldo e denso.
Secondo l’Università di Copenaghen, questo stato della materia caratterizzava l’Universo durante circa il suo primo milionesimo di secondo.
Nel Large Hadron Collider i ricercatori cercano di produrre minuscole quantità di quella materia per periodi infinitesimali, per poi studiare ciò che succede mentre si espande e si trasforma nelle particelle che possiamo osservare.
Perché ossigeno e neon hanno sorpreso i fisici
Storicamente gli esperimenti sul plasma di quark e gluoni hanno utilizzato soprattutto nuclei molto pesanti.
Il piombo è un esempio ideale. Il piombo-208 contiene molti protoni e neutroni e, quando due nuclei vengono fatti collidere ad altissima energia, si crea un sistema sufficientemente grande da favorire la formazione del plasma.
Al CERN le collisioni tra nuclei di piombo hanno già prodotto risultati curiosi anche in altri campi. Su Tech iCrewPlay abbiamo raccontato, per esempio, come alcune collisioni siano riuscite a trasformare per un istante nuclei di piombo in nuclei d’oro.
La domanda aperta era però un’altra: quanto possiamo ridurre la dimensione dei nuclei continuando a osservare il comportamento caratteristico del plasma di quark e gluoni?
I nuovi risultati spostano questa frontiera verso sistemi molto più piccoli.
| Nucleo | Numero di nucleoni | Caratteristica utile nell’esperimento |
|---|---|---|
| Piombo-208 | 208 | Nucleo molto pesante, tradizionalmente usato per studiare il QGP |
| Neon-20 | 20 | Nucleo leggero e deformato, con geometria allungata |
| Ossigeno-16 | 16 | Nucleo leggero con geometria differente dal neon |
ALICE ha effettuato le prime misurazioni del flusso ellittico e triangolare delle particelle prodotte nelle collisioni ossigeno-ossigeno e neon-neon a 5,36 TeV per coppia di nucleoni. Lo studio è stato pubblicato il 17 agosto 2026 su Physical Review Letters ed è stato selezionato come Editors’ Suggestion.
Il dettaglio più strano: il nucleo del neon ricorda un birillo
A scala atomica non bisogna immaginare i nuclei come minuscole palline perfettamente rotonde.
La distribuzione di protoni e neutroni può produrre geometrie differenti.
Nel caso del neon-20, i modelli della struttura nucleare indicano una forma allungata che viene descritta dai ricercatori con un paragone molto semplice: ricorda un birillo da bowling.
Il punto interessante non è soltanto la forma.
È ciò che succede dopo la collisione.
Quando i nuclei si scontrano quasi alla velocità della luce, il sistema formato si espande rapidamente. Il plasma esiste per una frazione minuscola di secondo e non può essere fotografato direttamente.
I rilevatori osservano invece le particelle prodotte quando questo stato della materia scompare.
Ed è proprio nel modo in cui queste particelle si distribuiscono che rimane una sorta di impronta della geometria originale del nucleo.
L’Università di Copenaghen utilizza un’analogia efficace: è come illuminare un oggetto senza poterlo vedere direttamente e cercare di ricostruirne la forma osservando la sua ombra.
Come può la forma di un nucleo sopravvivere a una collisione così violenta?
Non sopravvive fisicamente il nucleo.
È la sua geometria iniziale a influenzare l’espansione della materia prodotta nella collisione.
Se due nuclei presentano una determinata distribuzione di materia quando si sovrappongono, la piccola regione caldissima che si forma non sarà perfettamente simmetrica.
Durante l’espansione, questa asimmetria iniziale modifica la direzione nella quale le particelle vengono spinte.
I fisici studiano questo comportamento attraverso quantità chiamate coefficienti di flusso, tra cui il flusso ellittico v2 e quello triangolare v3.
ALICE ha osservato che nelle collisioni centrali il flusso ellittico prodotto dal neon è maggiore di quello osservato con l’ossigeno.
I modelli idrodinamici che tengono esplicitamente conto della struttura dei due nuclei riproducono bene le misurazioni. Secondo Physical Review Letters, questo risultato supporta la presenza di un flusso idrodinamico determinato dalla geometria nucleare anche nelle collisioni tra ioni leggeri.
Anche il CMS, un altro grande esperimento del CERN, ha pubblicato nello stesso numero di Physical Review Letters misurazioni indipendenti del flusso collettivo nelle collisioni ossigeno-ossigeno e neon-neon, ottenendo risultati sensibili alla struttura intrinseca dei nuclei.
Quindi le particelle “ricordano” la forma del neon?
In un certo senso sì, anche se il termine “ricordano” è solo un modo intuitivo per descriverlo.
Le particelle finali non possiedono una memoria.
Il loro schema di movimento deriva però dalle condizioni geometriche presenti all’inizio della collisione.
Per questo, analizzando milioni di eventi e la distribuzione statistica delle particelle, gli scienziati possono risalire alle proprietà dei nuclei che hanno prodotto quelle collisioni.
Con l’ossigeno emerge un pattern più arrotondato.
Con il neon compare invece una componente più allungata, coerente con la geometria a birillo prevista per il neon-20.
Il metodo è interessante perché offre un modo completamente diverso di studiare la struttura nucleare.
Tradizionalmente i nuclei vengono analizzati a energie relativamente basse osservandone, per esempio, rotazioni e vibrazioni.
In questo caso avviene quasi il contrario: i nuclei vengono distrutti alle energie più alte raggiungibili e la loro forma viene ricostruita osservando ciò che resta della collisione.
Perché la forma di un nucleo atomico è importante?
Non è soltanto una curiosità geometrica.
La disposizione di protoni e neutroni all’interno del nucleo dipende dalle interazioni tra queste particelle e quindi dalla forza nucleare forte.
La forza forte è una delle quattro interazioni fondamentali della natura ed è responsabile, attraverso la cromodinamica quantistica, del comportamento di quark e gluoni.
Comprendere con precisione la struttura dei nuclei permette quindi di mettere alla prova i modelli che cercano di descrivere una delle parti più complesse della fisica fondamentale.
Il collegamento diventa particolarmente interessante perché lo stesso esperimento fornisce informazioni sia sulla struttura dei nuclei atomici sia sul comportamento della materia dell’Universo primordiale.
Il plasma di quark e gluoni è un liquido?
La definizione di “plasma” potrebbe far pensare al plasma presente nelle stelle, ma il plasma di quark e gluoni è un sistema molto differente.
Uno degli aspetti più sorprendenti emersi dagli esperimenti negli ultimi decenni è che il QGP presenta un comportamento collettivo che può essere descritto efficacemente utilizzando modelli idrodinamici.
In altre parole, non si comporta semplicemente come un insieme disordinato di particelle indipendenti.
Le particelle interagiscono così intensamente che l’intero sistema mostra proprietà simili a quelle di un fluido.
È proprio questa risposta collettiva che permette alla geometria della collisione iniziale di lasciare un’impronta sulla distribuzione finale delle particelle.
Le nuove misurazioni diventano quindi anche un test importante: mostrano che questo tipo di comportamento può emergere in sistemi formati da nuclei molto più piccoli rispetto alle classiche collisioni piombo-piombo.
Quanto è piccolo il più piccolo “mini Big Bang” possibile?
Non lo sappiamo ancora.
Ed è probabilmente la domanda più interessante lasciata aperta dallo studio.
Le collisioni tra ossigeno-16 e neon-20 mostrano che è possibile ottenere segnali compatibili con questo comportamento collettivo usando nuclei molto più piccoli rispetto al piombo.
Ma il limite minimo non è stato ancora trovato.
Secondo You Zhou, che ha guidato il lavoro, il prossimo passo sarà utilizzare nuclei ancora più leggeri.
Tra i candidati indicati dai ricercatori c’è l’elio-4, composto da appena due protoni e due neutroni.
Se anche un sistema tanto piccolo riuscisse a mostrare le proprietà caratteristiche del plasma di quark e gluoni, la soglia minima necessaria per generare questo stato della materia diventerebbe ancora più sorprendente.
Al contrario, se il comportamento collettivo scomparisse, gli scienziati avrebbero finalmente individuato una frontiera fondamentale.
Il CERN ha quindi ricreato il Big Bang?
No. Ha ricreato per un tempo infinitesimale alcune condizioni della materia presenti poco dopo il Big Bang.
È una distinzione importante.
Il Big Bang descrive l’evoluzione dell’intero Universo primordiale e non può essere riprodotto all’interno di un laboratorio.
Le collisioni dell’LHC generano invece regioni microscopiche nelle quali temperatura e densità permettono a quark e gluoni di comportarsi in modo simile a quanto sarebbe accaduto nei primissimi istanti cosmici.
Chiamarle “mini Big Bang” è una metafora efficace, utilizzata anche nella divulgazione scientifica, ma ciò che gli scienziati producono concretamente è una minuscola goccia di materia primordiale.
Ed è proprio la possibilità di creare quella materia con nuclei piccoli come ossigeno e neon a rendere il nuovo risultato importante.
Cosa cambia dopo questo esperimento
Lo studio apre due strade contemporaneamente.
La prima riguarda l’Universo primordiale: capire quale sia il sistema minimo necessario per creare plasma di quark e gluoni può aiutare a comprendere meglio come questo stato della materia nasce, si espande e scompare.
La seconda riguarda invece la struttura della materia ordinaria.
Se l’impronta geometrica osservata nelle particelle può essere misurata con sufficiente precisione, le collisioni ad altissima energia potrebbero diventare un nuovo strumento per studiare nuclei atomici la cui struttura è ancora difficile da determinare.
È un collegamento insolito.
Per osservare una forma lunga una frazione infinitesimale di un metro, gli scienziati accelerano due nuclei quasi alla velocità della luce, li distruggono completamente e osservano la direzione presa dai frammenti.
Nel caso del neon, ciò che rimane porta ancora con sé la firma di quel piccolo “birillo” esistito per un istante prima della collisione.
Per i dettagli scientifici, il lavoro completo è disponibile su Physical Review Letters, mentre l’Università di Copenaghen spiega il risultato e le prossime fasi della ricerca.
