Il CERN ricrea la materia dell’universo primordiale : nuovi indizi dal Large Hadron Collider

Le collaborazioni ALICE, ATLAS, CMS e LHCb hanno osservato nuovi segnali compatibili con la formazione del plasma di quark e gluoni nelle collisioni tra nuclei di ossigeno e neon

Non una riproduzione del Big Bang, ma un esperimento sulle condizioni fisiche che caratterizzarono i primi microsecondi dell’universo

Per comprendere che cosa accadde nei primi istanti della storia cosmica non possiamo guardare direttamente il passato più remoto. Possiamo, però, produrre in laboratorio condizioni fisiche analoghe a quelle che esistevano allora e studiare le tracce lasciate dalle particelle. È ciò che stanno facendo gli scienziati del CERN attraverso il Large Hadron Collider, il più potente acceleratore di particelle mai costruito.

A un anno dalle prime collisioni tra nuclei di ossigeno realizzate al LHC, le quattro principali collaborazioni scientifiche dell’acceleratore – ALICE, ATLAS, CMS e LHCb – hanno presentato diversi risultati che indicano la possibile formazione di minuscole quantità di plasma di quark e gluoni. Questo stato estremo della materia avrebbe riempito l’universo nei suoi primi microsecondi, prima che quark e gluoni rimanessero confinati all’interno di protoni, neutroni e altre particelle composite.

I nuovi risultati non equivalgono a una fotografia dell’universo appena nato. Sono invece una ricostruzione sperimentale fondata sulla convergenza di misurazioni indipendenti: perdita di energia dei partoni, modificazioni nella produzione di determinate particelle e segnali di comportamento collettivo della materia.

Una materia nella quale quark e gluoni non sono più confinati

Nelle condizioni ordinarie, i quark non vengono osservati isolatamente: sono legati dalla forza forte e formano protoni, neutroni e altre particelle chiamate adroni. Anche i gluoni, responsabili della trasmissione della forza forte, rimangono confinati all’interno di questi sistemi.

A temperature e densità di energia estremamente elevate, però, questa struttura può modificarsi. Quark e gluoni non sono più confinati nei singoli protoni e neutroni, ma formano un mezzo collettivo chiamato plasma di quark e gluoni, o QGP. Secondo i modelli cosmologici, la materia dell’universo si trovò in una condizione simile subito dopo il Big Bang.

Il plasma prodotto negli acceleratori è minuscolo e ha una durata estremamente breve. Si espande, si raffredda e si trasforma quasi immediatamente in particelle ordinarie. Per questo non può essere osservato direttamente come si osserverebbe un oggetto macroscopico. La sua esistenza deve essere dedotta dagli effetti prodotti sulle particelle che attraversano il mezzo e raggiungono i rivelatori.

Perché far collidere ossigeno e neon

Nel 2025 il Large Hadron Collider ha effettuato una speciale campagna di collisioni tra nuclei di ossigeno e tra nuclei di neon, a un’energia di 5,36 teraelettronvolt per coppia di nucleoni.

Questi nuclei sono molto più leggeri del piombo, tradizionalmente utilizzato negli esperimenti dedicati al plasma di quark e gluoni. Un nucleo di ossigeno contiene otto protoni e otto neutroni, mentre quello di neon ne contiene rispettivamente dieci e dieci. La loro dimensione intermedia permette agli scienziati di indagare una questione fondamentale: quanto può essere piccolo un sistema di particelle e continuare a comportarsi come un fluido collettivo?

Le collisioni di ossigeno e neon costituiscono quindi un ponte tra quelle tra protoni, nelle quali il sistema prodotto è molto piccolo, e le collisioni tra nuclei pesanti, nelle quali la formazione del plasma è stata studiata per decenni.

Anche la forma dei nuclei ha un ruolo. Il neon presenta una configurazione più allungata rispetto all’ossigeno e la diversa geometria iniziale delle collisioni può lasciare una traccia nella distribuzione finale delle particelle. Studiando queste differenze, i ricercatori possono verificare quanto rapidamente la materia prodotta sviluppi un comportamento collettivo.

Particelle che perdono energia attraversando il plasma

Uno dei segnali più importanti osservati riguarda il cosiddetto jet quenching. Quando avviene una collisione ad altissima energia, quark e gluoni possono produrre getti composti da numerose particelle. In assenza di un mezzo denso, due getti generati dallo stesso processo tendono ad avere energie relativamente bilanciate.

Se uno dei partoni attraversa il plasma di quark e gluoni, invece, può perdere parte della propria energia interagendo con il mezzo. Il getto risultante appare quindi meno energetico rispetto a quello prodotto nella direzione opposta.

La collaborazione ATLAS ha osservato uno squilibrio tra coppie di getti nelle collisioni ossigeno-ossigeno e neon-neon. L’effetto risulta più evidente nelle collisioni centrali, nelle quali la sovrapposizione tra i nuclei è maggiore e il mezzo prodotto dovrebbe essere più esteso. Si tratta dei sistemi di collisione più piccoli nei quali il fenomeno del jet quenchingsia stato rilevato finora.

Anche CMS ha osservato una soppressione nella produzione di particelle cariche rispetto alle collisioni tra protoni, un risultato compatibile con la perdita di energia dei partoni all’interno di un mezzo caldo e denso.

Più indizi per una stessa realtà fisica

Un singolo fenomeno, considerato isolatamente, potrebbe essere spiegato anche attraverso meccanismi differenti. La forza dei risultati del CERN deriva quindi dalla convergenza tra segnali diversi, osservati da esperimenti indipendenti.

CMS ha studiato, per esempio, gli stati della particella upsilon, formata da un quark bottom e dal corrispondente antiquark. I diversi stati legati sembrano essere soppressi in misura differente durante le collisioni con nuclei leggeri. Questo comportamento è previsto quando le particelle si formano o attraversano un plasma di quark e gluoni: gli stati meno fortemente legati tendono a dissolversi più facilmente.

LHCb ha rilevato una maggiore soppressione di particelle contenenti quark charm nelle collisioni con il neon rispetto a quelle con l’ossigeno. Il risultato è coerente con la formazione, nelle collisioni tra nuclei più grandi, di un volume maggiore di materia calda.

ALICE ha invece confrontato la produzione di pioni neutri nelle collisioni ossigeno-ossigeno e protone-ossigeno, individuando un’ulteriore evidenza della perdita di energia dei partoni. Ha inoltre studiato il flusso anisotropico, cioè la tendenza delle particelle a essere emesse secondo direzioni preferenziali legate alla geometria iniziale della collisione. La diversa risposta di barioni e mesoni costituisce un altro possibile segnale di comportamento collettivo.

Nel loro insieme, questi risultati rafforzano l’ipotesi che piccole quantità di plasma di quark e gluoni possano formarsi anche in sistemi molto più leggeri delle tradizionali collisioni tra nuclei di piombo.

Osservare ciò che non può essere visto direttamente

La ricerca sul plasma di quark e gluoni mostra in modo particolarmente chiaro come procede la conoscenza scientifica. Gli scienziati non vedono direttamente il plasma, così come non possono assistere ai primi microsecondi della storia cosmica. Misurano invece energie, traiettorie, correlazioni e abbondanze delle particelle prodotte dopo la collisione.

Da questi dati ricostruiscono il processo che potrebbe averli generati, confrontando le osservazioni con le previsioni della cromodinamica quantistica, la teoria che descrive le interazioni tra quark e gluoni.

Non si tratta di una deduzione arbitraria. Ogni interpretazione deve spiegare contemporaneamente osservazioni differenti, superare il confronto con modelli alternativi ed essere verificata da rivelatori costruiti e analizzati in maniera indipendente. Proprio per questo il CERN parla prudentemente di nuovi “segnali” o “indicazioni”, lasciando aperta la possibilità di affinare i modelli attraverso misurazioni future.

Il CERN non riproduce il Big Bang

Affermare che il CERN “ricrea l’universo primordiale” è una sintesi efficace, ma deve essere interpretata correttamente. Il Large Hadron Collider non riproduce il Big Bang, non crea un nuovo universo e non ricostruisce tutte le condizioni cosmologiche delle origini.

Produce invece, in uno spazio infinitamente piccolo e per una frazione di secondo, temperature e densità di energia analoghe a quelle che avrebbero caratterizzato la materia subito dopo l’inizio dell’espansione cosmica. Ciò consente di verificare sperimentalmente come la materia si comporti in quelle condizioni estreme.

La distinzione è importante anche dal punto di vista epistemologico. Ricostruire un evento passato non significa osservarlo direttamente, ma individuare conseguenze misurabili che sarebbero difficili da spiegare senza quell’evento. È lo stesso metodo utilizzato in molti campi della scienza: dalla cosmologia alla geologia, dalla biologia evolutiva all’astrofisica.

Scienza, fede e domanda sulle origini

Le ricerche del CERN riguardano il comportamento fisico della materia nei primi istanti accessibili ai nostri modelli. Non stabiliscono perché esista l’universo, perché le leggi della natura siano intelligibili o quale significato abbia l’esistenza del cosmo.

La distinzione tra queste domande evita sia di chiedere alla fisica risposte che non appartengono al suo metodo, sia di utilizzare la fede come sostituto di una spiegazione scientifica ancora incompleta. La scienza studia processi, relazioni e condizioni verificabili; la filosofia e la teologia possono interrogarsi sul fondamento, sul significato e sulla ragione ultima dell’esistenza.

Non sono necessariamente prospettive concorrenti. La ricostruzione sperimentale della materia primordiale può anzi rendere ancora più evidente la profondità della domanda umana sulle origini. La capacità di risalire, attraverso tracce quasi impercettibili, a condizioni esistite miliardi di anni fa mostra insieme la potenza della ragione e i limiti entro i quali essa opera.

Quattro anni di lavori per il nuovo Large Hadron Collider

I risultati sulle collisioni tra ossigeno e neon vengono pubblicati mentre per il Large Hadron Collider è iniziata una profonda trasformazione. Il 27 giugno 2026 sono stati estratti gli ultimi fasci di particelle e il CERN ha avviato il Long Shutdown 3, un arresto programmato che dovrebbe durare circa quattro anni.

Non si tratta della sospensione dell’attività scientifica del CERN né della chiusura dell’acceleratore, ma di una vasta operazione di manutenzione e potenziamento. Oltre 1,2 chilometri dei 27 complessivi del LHC saranno interessati dalla sostituzione o dall’installazione di nuovi apparati. Saranno aggiornati anche i rivelatori degli esperimenti, in particolare ATLAS e CMS, per prepararli a un numero molto maggiore di collisioni.

La macchina dovrebbe riprendere a funzionare nel 2030 nella nuova configurazione denominata High-Luminosity LHC, o HiLumi LHC. L’obiettivo non è aumentare principalmente l’energia delle collisioni, ma la loro quantità: una luminosità più elevata consentirà di raccogliere molti più dati, effettuare misurazioni più precise e individuare fenomeni estremamente rari.

Lo stop non interrompe, tuttavia, l’analisi scientifica. Le collaborazioni dispongono di enormi quantità di dati già raccolti, che continueranno a essere esaminati durante i lavori. Proprio i nuovi risultati sul plasma di quark e gluoni mostrano come una collisione durata una frazione infinitesimale di secondo possa richiedere mesi o anni di elaborazione, confronto e verifica.

Quando entrerà in funzione, il nuovo HiLumi LHC dovrebbe produrre fino a dieci volte più collisioni rispetto alla luminosità prevista dal progetto originario. Ciò permetterà di studiare con maggiore precisione il bosone di Higgs, approfondire le proprietà della materia primordiale e cercare eventuali segnali di fenomeni non descritti dal Modello standard. Fonte RSI – Radiotelevisione svizzera – CERN: stop all’acceleratore di particelle per quattro anni

I nuovi risultati di ALICE, ATLAS, CMS e LHCb non chiudono quindi il discorso sull’universo primordiale. Aprono una fase più precisa della ricerca, nella quale diventa possibile stabilire quanto piccola possa essere una goccia di plasma e quali siano i meccanismi che trasformano un insieme di particelle in un mezzo capace di comportarsi collettivamente.

Nel cuore del Large Hadron Collider non viene ripetuto l’atto originario dell’universo. Vengono prodotte tracce fisiche che consentono di comprenderne meglio i primi istanti. Ed è proprio nella paziente interpretazione di queste tracce che la scienza manifesta una delle sue caratteristiche più profonde: rendere conoscibile ciò che non può essere osservato direttamente.

Fonte principale: CERN – Oxygen collisions at the LHC show new indications of an extreme state of matter.

Immagine, cortesia CERN : LHC Large Hadron Collider.