Scienziati italiani riscrivono l’alba del cosmo: l’interazione nucleare forte era presente presto nel Big Bang!

Tutto ciò che vediamo intorno a noi, dalle stelle più remote agli oggetti quotidiani, ha avuto origine da un inferno primordiale: un plasma di quark e gluoni incredibilmente caldo e denso.

Pochi istanti dopo il Big Bang, l’universo era un luogo inimmaginabile, riempito da queste particelle fondamentali che si muovevano liberamente. Questo stato esotico, noto come plasma di quark e gluoni (QGP), durò solo per pochi microsecondi. Poi, mentre l’universo si raffreddava a circa 20.000 miliardi di gradi Kelvin (poco meno in Celsius), queste particelle iniziarono a “congelarsi“, aggregandosi per formare la materia che conosciamo oggi.

Comprendere il comportamento esatto di questa “zuppa cosmica” è fondamentale per svelare i segreti più profondi dell’origine del nostro universo. Per decenni, gli scienziati hanno tentato di applicare le leggi fondamentali della fisica per decifrarne le proprietà, ma si sono scontrati con un ostacolo formidabile: la forza nucleare forte, una delle quattro forze fondamentali dell’universo.

Questa è l’interazione che lega insieme i quark per formare protoni e neutroni, ed è così complessa da descrivere con gli strumenti matematici tradizionali quando si tratta delle energie estreme dell’universo neonato.

Ora, un team di ricercatori prevalentemente italiani ha compiuto un progresso rivoluzionario. Pubblicando i loro risultati sulla prestigiosa rivista Physical Review Letters, hanno calcolato un’equazione di stato dettagliata – una relazione fondamentale tra temperatura, pressione ed energia – per questo plasma dell’universo primordiale. Il loro lavoro offre il quadro più completo mai ottenuto su come la forza nucleare forte abbia plasmato il cosmo subito dopo il Big Bang, rivelando che la sua influenza era più potente di quanto si pensasse.

La Sfida: Decodificare una Forza “Selvaggia”

La principale difficoltà nel comprendere il plasma di quark e gluoni risiede proprio nella forza e complessità della forza, o interazione,  nucleare forte. A differenza della gravità o dell’elettromagnetismo, i cui comportamenti possono spesso essere descritti con equazioni eleganti e piccole correzioni, la forza forte si comporta in modo “selvaggio” e imprevedibile alle scale rilevanti per l’universo primordiale.

La forza nucleare foe è quella che tiene assieme i nucleai atomici, nonostante la forza elettromagnetica

L’approccio usuale, la cosiddetta teoria perturbativa, che calcola le interazioni passo dopo passo, qui fallisce miseramente. Il motivo? La “costante di accoppiamento” della forza forte (un numero che ci dice quanto è intensa l’interazione tra le particelle) non è affatto piccola in queste condizioni. Ciò significa che i termini correttivi nei calcoli, invece di diventare sempre più piccoli e trascurabili, rimangono grandi, mandando fuori controllo la matematica.

Per aggirare questo problema, gli scienziati si sono rivolti a un metodo diverso, noto come Cromodinamica Quantistica su Reticolo (Lattice QCD). Immaginate di costruire una sorta di scacchiera quadridimensionale che rappresenta lo spazio-tempo: le particelle “vivono” su ogni casella e le loro interazioni possono essere calcolate numericamente, passo dopo passo, con l’ausilio di potenti supercomputer.

Anche questo metodo aveva i suoi limiti. Le simulazioni precedenti che utilizzavano la Lattice QCD potevano raggiungere temperature del plasma inferiori a un gigaelettronvolt (1 GeV, equivalente a circa 11,6 trilioni di Kelvin), molto al di sotto della cosiddetta transizione di fase elettrodebole (attorno ai 100 GeV), un momento chiave nella storia dell’universo in cui le particelle hanno acquisito massa.

La Svolta Italiana: Una Nuova Strategia per Guardare Indietro nel Tempo

Il team di fisici italiani, afferenti principalmente all’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e a diverse università italiane, ha impiegato una strategia computazionale interamente nuova, originariamente sviluppata da loro stessi nel 2022 e ulteriormente affinata in questo studio. Hanno combinato la Lattice QCD con sofisticate simulazioni Monte Carlo, un metodo che utilizza il campionamento casuale per risolvere problemi complessi, e una nuova tecnica per gestire le condizioni al contorno delle simulazioni e per calcolare direttamente la densità di entropia del sistema.

Si sono concentrati su una versione semplificata ma estremamente rilevante dell’universo, riempita con tre tipi di quark (sapori) considerati effettivamente privi di massa. Sebbene i quark possiedano masse intrinseche minuscole, alle temperature elevatissime coinvolte (diversi GeV e oltre), queste masse diventano trascurabili rispetto all’energia totale del sistema. Questa configurazione imita da vicino le condizioni estreme durante i primi microsecondi dopo il Big Bang.

Crucialmente, i ricercatori sono riusciti a spingere i loro calcoli attraverso un vastissimo intervallo di temperature, da 3 GeV fino a ben 165 GeV, raggiungendo così la soglia della transizione elettrodebole. Questo ha permesso loro di creare una formula matematica precisa, l’equazione di stato, che descrive la densità di entropia (una misura del disordine) del plasma di quark e gluoni con una precisione tra lo 0.5% e l’1%. Da questa, hanno poi derivato la pressione e la densità di energia del plasma utilizzando le equazioni termodinamiche standard.

Un aspetto fondamentale del loro successo è stata la capacità di minimizzare i cosiddetti “artefatti di reticolo“, errori che sorgono inevitabilmente quando si usa una griglia discreta per approssimare uno spazio-tempo continuo. Affinando progressivamente la spaziatura del reticolo, portandola quasi a zero (il “limite continuo”), sono riusciti a produrre risultati che si applicano all’universo reale e continuo, non solo a una sua approssimazione simulata. Come hanno dichiarato gli stessi autori, “gli artefatti di reticolo si rivelano piuttosto lievi. Questo è un grande miglioramento rispetto alle precedenti simulazioni del plasma di quark e gluoni, che erano limitate a temperature inferiori a 1 GeV.”

Una scoperta sorprendente: l’interazione nucleare forte dominava prima del previsto

I risultati ottenuti sono stati, per certi versi, sorprendenti. Anche a queste temperature elevatissime, i quark e i gluoni nel plasma non si comportavano come particelle completamente libere, come ci si potrebbe aspettare da un gas estremamente caldo. La forza nucleare forte era ancora dominante, giocando un ruolo molto più significativo e molto prima nella linea temporale dell’universo di quanto i fisici avessero ipotizzato basandosi su modelli meno precisi. In sostanza, la “colla” che tiene insieme la materia era più tenace del previsto anche in quel calderone primordiale.

L’Importanza cosmogonica: riscrivere i primi capitoli dell’Universo

Questa nuova e più accurata comprensione del plasma di quark e gluoni ha profonde implicazioni per la cosmogonia, la teoria sull’origine e l’evoluzione dell’universo.

Innanzitutto, fornisce ai fisici un quadro molto più preciso dei primissimi istanti di vita del cosmo. Questo permette di affinare i modelli su come la materia si sia formata a partire da quella “zuppa” primordiale e su come le forze fondamentali stesse si siano evolute e differenziate mentre l’universo si espandeva e si raffreddava.

Le proprietà del plasma di quark e gluoni, determinate con questa nuova precisione, influenzano direttamente:

• L’evoluzione dei gradi di libertà effettivi: Man mano che l’universo si raffreddava, il numero di tipi di particelle che potevano esistere liberamente cambiava. L’equazione di stato precisa è essenziale per tracciare questa evoluzione.
• La possibile generazione di onde gravitazionali primordiali: Le transizioni di fase nell’universo primordiale, come quella da plasma di quark e gluoni a materia ordinaria, potrebbero aver generato onde gravitazionali. Una migliore comprensione dell’equazione di stato può aiutare a prevedere le caratteristiche di queste onde, che futuri osservatori potrebbero rilevare, aprendo una finestra diretta su quell’epoca remota.
• L’abbondanza di candidati per la materia oscura: La storia termica dell’universo, influenzata dall’equazione di stato della QCD, gioca un ruolo cruciale nel determinare l’abbondanza relitta di particelle esotiche che potrebbero costituire la materia oscura, come i WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) o gli assioni. Una forza forte più “forte” del previsto potrebbe modificare questi calcoli.

Lo studio dimostra anche la potenza dei metodi di Lattice QCD quando combinati con tecniche computazionali intelligenti e innovative. Sebbene questo approccio non sia perfetto, rappresenta uno strumento di gran lunga superiore rispetto ai metodi esistenti per sondare in profondità il comportamento del plasma primordiale.

Il team italiano, con questa ricerca, non solo ha spinto più in là i confini della nostra conoscenza, ma ha anche aperto la strada a future indagini. Come concludono i ricercatori, “i risultati numerici presentati qui possono essere sistematicamente migliorati in futuro investendo maggiori risorse computazionali.” Questo significa che, con computer ancora più potenti e ulteriori affinamenti teorici, potremo sperare di ottenere un’immagine ancora più nitida dell’alba del tempo, svelando forse altri segreti sulla nascita e l’evoluzione del nostro straordinario universo.  Un brillante esempio della capacità italiana nel mondo della Fisica, una tradizione scientifica dalle radici profonde.