CERN, trovate tracce di materia primordiale: il plasma del Big Bang si forma anche nei sistemi più piccoli

Il 20 marzo 2026 la collaborazione ALICE al CERN ha pubblicato su Nature Communications la prima osservazione del flusso partonico (la firma distintiva del plasma di quark e gluoni) in collisioni protone-protone e protone-piombo all’LHC. Uno studio che ridisegna i confini della fisica delle alte energie: la materia primordiale dell’universo può formarsi anche in sistemi di collisione di dimensioni molto inferiori a quelle considerate necessarie fino ad oggi.

Il plasma di quark e gluoni: cos’è e perché è importante

Nei primi 20–30 microsecondi dopo il Big Bang, l’universo era in uno stato di materia radicalmente diverso da quello attuale: una zuppa densa e incandescente di quark e gluoni liberi di muoversi senza essere confinati all’interno di protoni o neutroni. Questo stato prende il nome di plasma di quark e gluoni (QGP, dall’inglese Quark–Gluon Plasma).

Nella materia ordinaria, i quark sono permanentemente confinati all’interno degli adroni (le particelle composte soggette all’interazione forte, come protoni e neutroni) attraverso il meccanismo descritto dalla Cromodinamica Quantistica (QCD), la teoria che governa l’interazione forte. Quando la temperatura supera circa 2×10¹² kelvin (centomila volte la temperatura al centro del Sole), la QCD prevede una transizione di fase: i quark e i gluoni si liberano dai loro legami e si comportano come particelle quasi-libere che formano appunto il QGP.

Riprodurre questo stato in laboratorio è possibile oggi grazie al Large Hadron Collider (LHC) del CERN, l’acceleratore di particelle più potente mai costruito, facendo collidere a velocità prossime a quella della luce nuclei pesanti come quelli di piombo. Le temperature raggiunte nell’istante della collisione superano di oltre centomila volte quella al centro del Sole, replicando per frazioni infinitesimali di secondo le condizioni dell’universo primordiale.

L’esperimento ALICE e la sua missione

ALICE (A Large Ion Collider Experiment) è l’esperimento del CERN dedicato specificamente allo studio della fisica degli ioni pesanti e del QGP. Il rivelatore ALICE pesa 10.000 tonnellate, misura 26 metri in lunghezza, 16 in altezza e 16 in larghezza, ed è situato in una caverna a 56 metri di profondità sotto la frontiera franco-svizzera, nelle vicinanze del villaggio di St Genis-Pouilly, in Francia.

La collaborazione ALICE riunisce migliaia di fisici, ingegneri e tecnici provenienti da tutto il mondo (tra cui un numero significativo di ricercatori dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) italiano) e ha come obiettivo principale caratterizzare le proprietà del QGP con una precisione sempre maggiore: viscosità, coefficienti di trasporto, struttura interna, meccanismi di adronizzazione.

Il flusso anisotropo: la firma del plasma primordiale

Quando due nuclei pesanti si scontrano all’LHC, la regione di sovrapposizione non è sferica ma ha una forma asimmetrica, tipicamente allungata. I gradienti di pressione che si generano all’interno del QGP trasformano questa asimmetria spaziale in un’asimmetria nella distribuzione angolare delle particelle prodotte: le particelle vengono emesse preferenzialmente lungo determinate direzioni piuttosto che in modo isotropo. Questo fenomeno collettivo è denominato flusso anisotropo.

Il flusso anisotropo è quantificato matematicamente attraverso una decomposizione di Fourier della distribuzione azimutale delle particelle nel piano trasversale alla direzione del fascio. I coefficienti di questa decomposizione, indicati con v₂, v₃, v₄, …, misurano rispettivamente il flusso ellittico, triangolare, quadrupolare, e così via. ALICE ha misurato coefficienti di flusso fino al nono ordine (v₉) nelle collisioni piombo-piombo, confermando che il QGP si comporta come un fluido quasi-perfetto con viscosità straordinariamente bassa, la più bassa mai misurata per qualsiasi sostanza.

Nelle collisioni tra ioni pesanti, per le particelle con momenti trasversi compresi tra circa 3 e 8 GeV/c (la regione dei momenti intermedi), il flusso anisotropo presenta una caratteristica specifica: dipende dal numero di quark costituenti della particella. I barioni, particelle composte da tre quark, come protoni e neutroni, mostrano un flusso sistematicamente più forte rispetto ai mesoni, composti da soli due quark (un quark e un antiquark). Questa separazione, nota come scaling del numero di quark costituenti (NCQ scaling), è considerata una prova diretta del fatto che il flusso si forma a livello di quark prima che questi si ricombinino in adroni.

La coalescenza dei quark: il meccanismo alla base dello scaling

Il modello teorico che spiega lo scaling NCQ è la coalescenza dei quark: nel momento in cui il QGP si raffredda e i quark tornano a essere confinati, non si formano adroni a partire dal vuoto, ma i quark che si trovano vicini nello spazio delle fasi (con impulso e posizione simili) si combinano direttamente per dare origine a mesoni e barioni. Poiché i barioni aggregano tre quark anziché due, ereditano una quantità di flusso proporzionalmente maggiore. Il risultato è il pattern osservato: a momenti intermedi, v₂(barioni) > v₂(mesoni).

Questo meccanismo si contrappone alla frammentazione, il processo alternativo con cui i quark ad alta energia producono getti di particelle senza passare per uno stadio intermedio di QGP. A momenti elevati, la frammentazione diventa dominante e lo scaling NCQ scompare; a momenti bassi, la statistica quantistica e le interazioni residue complicano il quadro. La regione dei momenti intermedi è quindi la “finestra” privilegiata in cui la coalescenza e il flusso partonico lasciano la loro impronta più netta.

La scoperta: flusso partonico nelle collisioni tra protoni

Fino agli anni recenti, la fisica delle collisioni tra sistemi piccoli — protone-protone (pp) e protone-piombo (p-Pb) — era considerata fondamentalmente diversa da quella delle collisioni tra ioni pesanti. Il dogma dominante era che sistemi così piccoli non potessero raggiungere le temperature e le densità necessarie per formare un QGP esteso. Le collisioni pp erano usate principalmente come linea di base di riferimento per interpretare i dati delle collisioni piombo-piombo.

Già dalla prima decade di operazione dell’LHC, tuttavia, ALICE e altri esperimenti avevano rilevato in collisioni pp e p-Pb ad alta molteplicità alcune anomalie: segnali di flusso anisotropo, enhancement nella produzione di particelle strane, e la soppressione del charmonio ψ(2S) in p-Pb. Tutti fenomeni associati alla formazione di QGP nelle collisioni tra ioni pesanti, ma osservati in sistemi molto più piccoli. La comunità scientifica ha dibattuto intensamente sulla loro interpretazione: sono tracce di un QGP in miniatura, oppure effetti di correlazioni iniziali nella struttura del protone che mimano il flusso collettivo senza richiedere la formazione del plasma?

Il nuovo studio ALICE pubblicato su Nature Communications affronta questa domanda con un approccio decisivo. La collaborazione ha misurato il flusso anisotropo di multiple specie di mesoni e barioni in collisioni pp e p-Pb selezionando specificamente gli eventi ad alta molteplicità — cioè quelli in cui viene prodotto un numero insolitamente elevato di particelle, condizione associata a collisioni particolarmente centrali e dense. Per isolare il segnale di flusso genuino da correlazioni non fisiche (decadimenti di risonanze, jet di particelle), il team ha applicato tecniche sofisticate di rimozione del non-flow basate su funzioni di correlazione e metodi di template fit.

Il risultato è inequivocabile: anche nelle collisioni pp e p-Pb, i barioni mostrano un flusso anisotropo significativamente più forte dei mesoni nella regione dei momenti intermedi, esattamente come accade nelle collisioni piombo-piombo dove la formazione del QGP è fuori discussione. È la prima osservazione diretta dello scaling NCQ in sistemi piccoli, per un intervallo esteso di momenti e per molteplici specie di particelle simultaneamente.

«È la prima volta che osserviamo, per un ampio intervallo di momenti e per multiple specie, questo pattern di flusso in un sottoinsieme di collisioni tra protoni in cui viene prodotto un numero insolitamente elevato di particelle», ha dichiarato David Dobrigkeit Chinellato, Physics Coordinator dell’esperimento ALICE. «I nostri risultati supportano l’ipotesi che un sistema di quark in espansione sia presente anche quando le dimensioni del sistema di collisione sono piccole.»

Il confronto con i modelli teorici

ALICE ha confrontato i dati sperimentali con le previsioni di diversi modelli di simulazione. I modelli che incorporano sia la formazione del QGP con evoluzione idrodinamica che la successiva coalescenza dei quark in mesoni e barioni riproducono il pattern osservato. I modelli che escludono uno dei due ingredienti — o solo la coalescenza, o solo il flusso idrodinamico — non riescono a catturare la separazione tra barioni e mesoni.

Permangono tuttavia delle discrepanze tra i modelli e i dati, legate principalmente a due fonti di incertezza: la modellizzazione della sottostruttura interna del protone (la distribuzione di quark e gluoni all’interno del protone descritta dalle funzioni di distribuzione partoniche, PDF) e la geometria iniziale delle collisioni tra sistemi piccoli, che è intrinsecamente meno controllata rispetto a quella delle collisioni tra nuclei sferici come il piombo. Affinare questi modelli è uno dei prossimi obiettivi teorici del campo.

Il ruolo delle collisioni ossigeno-ossigeno nel 2025

Nel 2025, durante una speciale campagna di presa dati all’LHC, sono state effettuate per la prima volta collisioni tra nuclei di ossigeno (O-O). Con numero atomico A=16, l’ossigeno si colloca a metà strada tra il protone (A=1) e il piombo (A=208), offrendo un sistema intermedio ideale per studiare la transizione tra i due regimi.

Le collisioni ossigeno-ossigeno sono attese come banco di prova cruciale: se il QGP può formarsi in sistemi così piccoli come un protone ad alta molteplicità, deve manifestarsi in modo ancora più chiaro nelle collisioni O-O, che producono un sistema più grande e più denso. L’analisi di questi dati permetterà di mappare sistematicamente la soglia di formazione del QGP in funzione delle dimensioni del sistema di collisione.

«Ci aspettiamo che con le collisioni di ossigeno registrate nel 2025, che colmano il divario tra le collisioni di protoni e quelle di piombo, otterremo nuove intuizioni sulla natura e sull’evoluzione del QGP attraverso diversi sistemi di collisione», ha dichiarato Kai Schweda, portavoce di ALICE.

Implicazioni per la cosmologia e la QCD

Se confermata da ulteriori analisi, la formazione del QGP in sistemi piccoli ha implicazioni profonde su più fronti. Sul piano della fisica fondamentale, mette in discussione i criteri dimensionali e termodinamici che si ritenevano necessari per la transizione di fase dalla materia adronica al plasma: la deconfinement transition potrebbe avvenire in un numero di gradi di libertà molto inferiore a quanto ipotizzato.

Sul piano della cosmologia, suggerisce che le prime fasi dell’universo possano essere studiate con sistemi molto più semplici di quanto pensato, aprendo nuove finestre sperimentali sulla fisica del Big Bang. Le fluttuazioni quantistiche della QGP primordiale, d’altra parte, sono legate alle perturbazioni che hanno dato origine alle strutture su grande scala dell’universo — galassie, ammassi, filamenti cosmici.

Sul piano della QCD a temperature finite, i nuovi risultati forniscono dati sperimentali preziosi per testare i calcoli su reticolo (lattice QCD) che descrivono la transizione di fase, e per affinare i modelli di adronizzazione in condizioni estreme. La questione della viscosità da taglio del QGP — il parametro η/s che misura quanto il plasma si avvicini a un fluido perfetto — assume nuova complessità se il plasma può formarsi in droplet di dimensioni sub-femtometriche.

Il paper e le fonti

• Nature Communications, volume 17, articolo n. 2585, con accesso aperto
• Il comunicato ufficiale del CERN è disponibile su home.cern
• La descrizione dell’esperimento ALICE è consultabile nella pagina ufficiale CERN.