Quando due protoni collidono a energie estreme, come quelle raggiunte al Large Hadron Collider, il risultato sembra un vero e proprio caos primordiale: quark, gluoni e particelle virtuali che appaiono e scompaiono in una frazione di secondo.
A prima vista, questa fase iniziale appare molto più disordinata rispetto a quella finale, quando solo alcune particelle più stabili emergono dalla collisione e vengono rilevate dai rivelatori.
Eppure, i dati sperimentali raccontano una storia diversa.
Dal caos iniziale agli adroni finali
I protoni non sono particelle elementari: sono adroni, composti da quark tenuti insieme dai gluoni. Durante una collisione ad altissima energia, tutti questi costituenti interagiscono in modo estremamente complesso.
Con il raffreddamento del sistema, i quark si ricombinano formando nuovi adroni che si allontanano dal punto d’impatto e finiscono sotto l’occhio degli esperimenti.
Secondo l’intuizione classica, un sistema così caotico nella fase iniziale dovrebbe avere un’entropia diversa rispetto allo stato finale. Ma le misure sperimentali suggeriscono che questa differenza, in realtà, non esiste.
Un nuovo modello per descrivere le collisioni
Uno studio pubblicato su Physical Review D dal prof. Krzysztof Kutak e dal dott. Sandor Lokos dell’Istituto di Fisica Nucleare dell’Accademia Polacca delle Scienze propone una spiegazione convincente. I ricercatori hanno migliorato i cosiddetti modelli a dipolo, strumenti teorici usati da anni per descrivere l’evoluzione dei sistemi densi di gluoni.
In questi modelli, ogni gluone viene rappresentato come una coppia quark–antiquark legata dalla carica di colore (una proprietà quantistica, da non confondere con i colori visibili). Analizzando il numero medio di adroni prodotti, è possibile stimare l’entropia del sistema già nella fase iniziale dominata dai partoni.
Dalla teoria ai dati reali del LHC
La novità principale sta nell’aver esteso il modello includendo effetti rilevanti anche a energie di collisione più basse. Per verificarne l’accuratezza, i ricercatori hanno confrontato il modello con dati reali provenienti dagli esperimenti ALICE, ATLAS, CMS e LHCb.
Il confronto copre un ampio intervallo energetico, da 0,2 fino a 13 teraelettronvolt, il massimo attualmente raggiungibile al CERN. Il risultato? Il modello a dipolo generalizzato descrive i dati meglio dei modelli precedenti e rimane valido su un range energetico molto più ampio.
L’entropia e il principio di unitarietà
Il punto più interessante riguarda l’entropia. Secondo la formula di Kharzeev–Levin, l’entropia del sistema non dovrebbe cambiare passando dalla fase di quark e gluoni a quella degli adroni osservabili. La nuova analisi conferma proprio questa previsione.
Per alcuni fisici il risultato è sorprendente, ma per altri è una conseguenza diretta di un principio fondamentale della meccanica quantistica: l’unitarietà. In termini semplici, l’unitarietà impone che la probabilità totale sia sempre conservata e che l’informazione non possa né apparire né scomparire dal nulla. Anche se il sistema sembra “più ordinato” alla fine, l’informazione iniziale è ancora lì, solo redistribuita.
I prossimi passi della ricerca
Nei prossimi anni, il modello verrà messo ulteriormente alla prova. Dopo l’upgrade del LHC, il rivelatore ALICE potrà esplorare regioni in cui i gluoni interagiscono in modo ancora più denso. Nuovi dati arriveranno anche dall’Electron-Ion Collider, in costruzione presso il Brookhaven National Laboratory.
Qui, elettroni e protoni verranno fatti collidere: dato che gli elettroni sono particelle elementari, questi esperimenti offriranno una finestra ancora più pulita e diretta sulla struttura interna dei protoni e sul comportamento dei gluoni.
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