Nuove prove sperimentali della ripristinazione della simmetria chirale ad alta densità di materia.

14 aprile 2023 feature

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di Ingrid Fadelli, Phys.org

Il vuoto QCD (ovvero lo stato fondamentale del vuoto nel regime della cromodinamica quantistica) è teoricamente caratterizzato dalla presenza di valori di aspettazione non nulli dei condensati, come gli gluoni e le coppie quark-antiquark. Invece di essere associato alla mancanza di particelle e interazioni in uno spazio vuoto, la teoria fisica considera questo stato come riempito dai cosiddetti condensati, che hanno gli stessi numeri quantici del vuoto e non possono essere direttamente osservati.

Molti fisici teorici hanno discusso le proprietà del vuoto QCD, ma finora la verifica sperimentale di queste previsioni teoriche si è dimostrata difficile, semplicemente perché i condensati in questo stato sono sfuggenti e non possono essere direttamente rilevati. Un accenno di "osservazione" sperimentale può essere trovato nelle previsioni teoriche sulle proprietà del vuoto QCD.

Le teorie prevedono che il condensato può diminuire alla temperatura elevata e/o a densità di materia elevata a causa della parziale ripristinazione della cosiddetta simmetria chirale. Per dimostrare queste teorie, alcuni ricercatori hanno raccolto misurazioni durante collisioni ultra-relativistiche dirette di ioni pesanti a particolarmente alte temperature. Altri sforzi in questo settore hanno cercato di esaminare le proprietà del vuoto QCD misurando i cosiddetti "effetti medi". Si tratta essenzialmente di effetti che alterano il vuoto QCD e la sua struttura stimolati dalla presenza di densità di materia elevata come quella nucleare.

Ricercatori del Centro RIKEN Nishina per la scienza basata su acceleratori, dell'Università femminile di Nara, dell'Istituto tedesco di ricerca sugli ioni pesanti e di altri istituti in tutto il mondo si sono recentemente impegnati a raccogliere informazioni sperimentali sugli effetti medi nei nuclei a temperature più basse. Nei loro esperimenti, descritti in un articolo di Nature Physics, hanno utilizzato tecniche spettroscopiche per misurare gli stati degli atomi pionici nella materia nucleare (Sn), sistemi legati composti da un pione e un nucleo atomico.

"L'esistenza della struttura nascosta del vuoto è una delle domande più importanti della fisica dell'era moderna", ha detto a Phys.org Kenta Itahashi, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio. "La struttura 'non banale' del vuoto è stata discussa a lungo a livello teorico. Ad esempio, Nambu ha descritto la rottura spontanea di simmetria del vuoto. Nonostante molte teorie correlate, l'evidenza sperimentale in questo settore è stata fino ad ora limitata."

Il primo obiettivo del recente lavoro di Itahashi e dei suoi colleghi era quello di elucidare ulteriormente la struttura nascosta del vuoto QCD e la sua evoluzione nel corso della storia dell'universo. Secondo le previsioni teoriche, la condensazione di coppie quark-antiquark (cioè i condensati chirali) in questo stato di vuoto romperebbe la simmetria chirale del vuoto.

Alle temperature elevate e/o alle densità di materia elevata la simmetria chirale sarebbe parzialmente ripristinata, il che teoricamente dovrebbe ridurre il valore atteso dei condensati chirali. Nei loro nuovi esperimenti, il team si è impegnato a dedurre il valore atteso delle coppie quark-antiquark nel vuoto QCD misurando atomi pionici a densità elevate e temperature più basse con tecniche di spettroscopia ad alta precisione.

"Abbiamo misurato sistemi legati pioni-nucleari in modo spettroscopico", ha spiegato Itahashi. "La nostra spettroscopia fornisce informazioni complementari che possono essere analizzate insieme alle precedenti scoperte sperimentali enfatizzando le collisioni dirette. Come tracciare un diagramma di fase dell'acqua o di materiali superconduttori, volevamo disegnare un diagramma di fase del vuoto su un piano di temperatura e densità. In un certo senso, la materia nucleare si comporta come un'impurità caricata nel vuoto. "

I ricercatori hanno scoperto che le loro misurazioni erano coerenti con la rottura spontanea della simmetria chirale del vuoto QCD descritta dalla teoria di Nambu. In combinazione con i risultati di uno studio pionieristico condotto quasi due decenni fa, questo lavoro fa avanzare la comprensione attuale del vuoto QCD, della rottura e del ripristino della simmetria chirale e del modo in cui questo influisce sul valore atteso dei condensati chirali a temperature elevate e/o densità di materia elevate.

'As far as we know, there is currently no information on the order parameter at a high-matter density that was as accurately determined as ours,' Itahashi said. 'In our next studies, we wish to investigate the density dependence of the chiral symmetry. We already plotted the first point of the chiral order parameter on the density axis and we now plan to study the density derivative by making a systematic measurement. In addition, we also wish to develop a new pionic atom spectroscopy technique to reach higher precision and to enable the study of pionic atom formation with radioisotopes.'

Journal information: Nature Physics

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