Temperatura record: trilioni di gradi misurati subito dopo il Big Bang.

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Redazione del sito web sull'innovazione tecnologica - 30 ottobre 2025

Vista parziale del gigantesco rivelatore STAR, progettato per studiare i primi istanti dell'Universo. [Immagine: BNL]

Temperatura record

Se vi piacciono i record, questo vi piacerà: è impossibile immaginare una temperatura più alta di quella della zuppa primordiale, chiamata plasma di quark e gluoni , che si è formata poco dopo il Big Bang.

Gli scienziati hanno appena catturato il profilo di temperatura di questo stato ultra-caldo della materia, generato da un rivelatore noto come STAR, situato presso il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) negli Stati Uniti. STAR è anche il nome della collaborazione internazionale che ha costruito e gestisce l'apparecchiatura, riunendo centinaia di scienziati provenienti da 55 istituzioni in 12 paesi.

Analizzando le rare emissioni di elettroni e positroni provenienti da collisioni atomiche, il team ha determinato le temperature precise nelle diverse fasi dell'evoluzione del plasma primordiale. I risultati non solo confermano le previsioni teoriche, ma perfezionano anche il diagramma di fase della cromodinamica quantistica (QCD), che mappa il comportamento della materia in condizioni estreme.

"Le nostre misurazioni rivelano la firma termica del plasma di quark e gluoni", ha affermato Frank Geurts, membro della Collaborazione STAR. "Il monitoraggio delle emissioni di dileptoni ci ha permesso di determinare la temperatura del plasma e quando ha iniziato a raffreddarsi, fornendo una visione diretta delle condizioni appena pochi microsecondi dopo la formazione dell'Universo."

Il diagramma illustra le proprietà della materia con potenziale chimico barionico (equivalente alla densità numerica barionica netta) e temperatura, con punti di riferimento di nuclei normali, stelle di neutroni e la transizione di fase al plasma di quark e gluoni. [Immagine: STAR Collaboration - 10.1038/s41467-025-63216-5]

Trilioni di gradi

I risultati hanno mostrato due distinti intervalli di temperatura, a seconda della massa delle coppie di elettroni emesse.

Nell'intervallo di massa inferiore, la temperatura media ha raggiunto circa 2,01 trilioni di Kelvin, in linea con le previsioni teoriche e con le temperature osservate durante la transizione del plasma alla materia ordinaria. Nell'intervallo di massa superiore, la temperatura media è stata di circa 3,25 trilioni di Kelvin, rappresentando la fase iniziale, più calda, del plasma.

Questo contrasto suggerisce che gli elettroni di piccola massa siano stati prodotti più tardi nell'evoluzione del plasma, mentre gli elettroni di grande massa siano nati nella sua fase iniziale, più energetica.

Misurando con precisione la temperatura del plasma di quark e gluoni in diversi momenti della sua evoluzione, gli scienziati hanno ottenuto dati sperimentali cruciali per completare il diagramma di fase della QCD. Questo diagramma è essenziale per mappare il comportamento della materia fondamentale in condizioni di calore e densità immense, simili alle condizioni esistenti pochi istanti dopo il Big Bang, ma che sono presenti anche oggi in fenomeni astrofisici, come le stelle di neutroni.

"Con questa mappa termica, i ricercatori possono ora affinare la loro comprensione della durata di vita del plasma di quark e gluoni e delle sue proprietà di trasporto, migliorando così la nostra comprensione dell'Universo primordiale", ha affermato Geurts. "Questo progresso significa più di una semplice misurazione: annuncia una nuova era nell'esplorazione della frontiera più estrema della materia".

Rappresentazione schematica di una collisione Au+Au ricostruita con il rivelatore STAR. [Immagine: STAR Collaboration - 10.1038/s41467-025-63216-5]

Che tipo di termometro è stato utilizzato?

Misurare le temperature in ambienti in cui nessuno strumento può sopravvivere fisicamente richiedeva molta creatività e duro lavoro.

Il team ha superato questa sfida studiando le coppie termiche di elettroni e positroni rilasciate durante le collisioni ad alta velocità dei nuclei atomici nel collisore. Queste emissioni hanno permesso di ricostruire la temperatura del plasma durante la sua formazione e il suo raffreddamento.

"Le coppie di leptoni termici, ovvero le emissioni elettrone-positrone prodotte durante la vita del plasma di quark e gluoni, sono emerse come candidate ideali", ha affermato Geurts. "A differenza dei quark, che possono interagire con il plasma, questi leptoni lo attraversano praticamente indenni, trasportando informazioni non distorte sul loro ambiente."

Ciò ha richiesto miglioramenti tecnologici senza precedenti al rivelatore STAR per consentirgli di isolare coppie di leptoni a bassa energia e ridurre il rumore di fondo. L'idea centrale è che la distribuzione energetica di queste coppie riveli direttamente la temperatura del plasma, un approccio noto come "termometro penetrante": le emissioni vengono integrate per produrre un profilo termico medio.

Le precedenti stime della temperatura post-Big Bang presentavano un elevato grado di incertezza, oltre ad essere distorte dal movimento all'interno del plasma, che creava deviazioni simili all'effetto Doppler, o dalla confusione sul fatto che le letture riflettessero il plasma stesso o fasi successive del suo decadimento.

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