Per decenni, la regola per creare il plasma quark-gluone (QGP) – la zuppa ultra-calda di quark e gluoni liberi che riempiva l'universo nei suoi primi milionesimi di secondo – era semplice: porta i nuclei più grandi che hai. Il piombo, in particolare, che è più di 200 volte più pesante dei protoni tipicamente usati negli esperimenti dell'LHC. L'assunto era che solo tali pesi massimi potessero generare la pressione e il calore tremendi richiesti, temperature superiori a 100.000 volte quelle al centro del Sole, dove protoni e neutroni smettono di tenersi insieme e si dissolvono nei loro quark e gluoni costituenti.

A quanto pare, l'universo potrebbe essere stato più parsimonioso di così. Un anno dopo le prime collisioni di ossigeno mai effettuate al Large Hadron Collider (LHC), tutte e quattro le sue principali collaborazioni di ricerca – ALICE, ATLAS, CMS e LHCb – hanno ora riportato segni che questa forma primordiale di materia può emergere quando nuclei di ossigeno e neon si scontrano. Sì, ossigeno e neon. La roba leggera. I nuclei con la coppa di partecipazione.

I risultati sfidano un'assunzione di lunga data sulle enormi forze necessarie per creare una sostanza così estrema, e offrono agli scienziati un nuovo modo per indagare le condizioni che prevalevano durante i primi momenti dell'universo.

Uno dei modi più chiari per identificare il QGP è osservare cosa succede quando quark e gluoni energetici cercano di attraversarlo. Mentre queste particelle si muovono attraverso il materiale estremamente caldo e denso, perdono parte della loro energia – un processo che gli scienziati chiamano perdita di energia dei partoni, e un indizio utile che il QGP si è formato. La collaborazione ATLAS ha rilevato chiaramente questo effetto studiando coppie di getti di particelle – flussi concentrati di particelle prodotti quando quark e gluoni energetici emergono da una collisione – generati durante collisioni ossigeno-ossigeno e neon-neon. I ricercatori hanno osservato differenze di energia tra i getti appaiati, indicando che alcune particelle avevano perso energia viaggiando attraverso il materiale circostante. L'effetto era particolarmente pronunciato durante collisioni più dirette, frontali (centrali), che si prevede creino un volume maggiore di plasma, dando alle particelle più materiale da attraversare e causando una maggiore perdita di energia. I risultati preliminari di ATLAS lo confermano: esaminando le particelle cariche che rinculano nella direzione opposta rispetto ai fotoni, i ricercatori hanno trovato una relazione simile tra perdita di energia e quanto centralmente i nuclei si sono scontrati.

ALICE, CMS e LHCb hanno cercato lo stesso processo di fondo con un approccio diverso. Invece di concentrarsi principalmente sull'energia dei getti, hanno esaminato come il plasma sembri ridurre la produzione di certe particelle energetiche. CMS ha scoperto che la produzione di particelle cariche era soppressa sia nelle collisioni ossigeno-ossigeno che neon-neon rispetto alle collisioni protone-protone – coerente con particelle che perdono energia all'interno del QGP, e ulteriore prova che il materiale esotico può formarsi in collisioni che coinvolgono nuclei più leggeri. LHCb ha riportato un altro indizio importante in uno studio separato, indagando particelle contenenti un quark charm e un quark più leggero e confrontando quanto fortemente la loro produzione fosse soppressa nelle collisioni di ossigeno e neon. La soppressione era più pronunciata nelle collisioni con neon più pesante, precisamente il comportamento che gli scienziati si aspetterebbero se collisioni più grandi producessero volumi maggiori di plasma, causando alle particelle di perdere più energia mentre lo attraversano.

La ridotta produzione di particelle, tuttavia, non prova necessariamente che la perdita di energia sia responsabile; altri processi fisici potrebbero potenzialmente produrre effetti simili. Così ALICE ha confrontato la produzione di pioni neutri, un altro tipo di particella subatomica, nelle collisioni ossigeno-ossigeno e protone-ossigeno. Il confronto ha fornito prove inequivocabili di perdita di energia dei partoni nelle collisioni ossigeno-ossigeno, rafforzando la tesi che anche collisioni nucleari relativamente piccole possono generare condizioni associate al QGP.

I ricercatori hanno anche cercato un altro