All’inizio dell’universo, un plasma superliquido di quark e gluoni

Noi non ce lo ricordiamo, ma nei primissimi stadi della nostra vita viaggiavamo in un piccolo mare, il liquido amniotico. Anche l’universo è nato all’interno di un liquido, di natura piuttosto diversa. Tra i 20 e i 30 microsecondi dopo il Big Bang, tutto ciò che esisteva si limitava a un plasma composto di quark e gluoni, i più basilari componenti della materia. Questo plasma potrebbe presto essere riprodotto nell’acceleratore di particelle LHC del CERN di Ginevra, dove i fisici riproducono le condizioni immediatamente successive al “grande scoppio” per capire meglio l’origine dell’universo. Ma alcuni fisici teorici hanno già ricostruito le proprietà di questo plasma, scoprendo che sono ben più bizzarre di quanto avrebbero mai immaginato: si tratta infatti del liquido meno denso mai esistito, tale da superare anche quelli che fino a oggi erano considerati i limiti materiali di bassa viscosità di un fluido.

La strana famiglia dei superfluidi

La questione può sembrare abbastanza banale, ma lo studio dei superfluidi interessa molto gli scienziati a causa delle loro portentose proprietà. Un superfluido è in sostanza un liquido a bassissima viscosità. Se mettessimo un simile fluido in un percorso chiuso formato da tubi comunicanti, scorrerebbe praticamente all’infinito: tale la sua bassa viscosità, che non produrrebbe attrito con le pareti dei tubi e quindi non potrebbe mai fermarsi.

Il problema è che nel 2004 i fisici sembrarono accordarsi sul fatto che esistesse un limite alla viscosità di un fluido, sulla base dei principi della meccanica quantistica, che regola il funzionamento dei fenomeni fisici a scale microscopiche. La cosiddetta “scala di Planck” stabilisce infatti dei valori limite per ogni grandezza. Per esempio, la lunghezza più piccola che può esistere in natura – al di sotto della quale il concetto stesso di dimensione perderebbe di significato – è la “lunghezza di Planck”, pari a 1,616252^-35 metri (per intenderci, uno zero virgola seguito da trentaquattro zeri e poi dal valore in pedice). Anche il rapporto tra viscosità e densità di un liquido non può superare un limite preciso, dato da h/4n, dove h è la costante di Planck. I liquidi superfluidi finora noti hanno tutti un rapporto al di sopra di tale soglia. Ma nel 2005 alcune misurazioni hanno iniziato a far emergere il sospetto che il plasma primordiale di quark e gluoni avesse una viscosità inferiore a tale limite.

Quark, gluoni e teoria delle stringhe

Secondo Dominik Steinder e Anton Rebhan del Politecnico di Vienna, in un articolo pubblicato su Physical Review Letters, questo plasma primordiale avrebbe proprietà difficilmente calcolabili. Ciò in quanto le condizioni estreme dell’universo nei suoi primissimi istanti violerebbero buona parte delle leggi della fisica oggi in vigore, richiedendo invece per la loro comprensione un mix di “teoria delle stringhe, teoria quantistica dei campi e fisica dei buchi neri”. Non certo concetti alla portata di  tutti, soprattutto in quanto il principio fondamentale dei calcoli di Steinder e Rebhan risiede nell’accettazione della teoria delle stringhe, un paradigma interpretativo della fisica non ancora universalmente accettato, secondo il quale le componenti fondamentali dell’universo avrebbero la forma di stringhe – simili ai lacci delle nostre scarpe – arrotolate in più dimensioni, fino a dieci dimensioni complessive rispetto alle quattro a noi note oggi.

I quark e i gluoni sono le componenti più piccole della materia. Li immaginiamo come delle minuscole palline che si uniscono tra loro, ma in realtà nella teoria delle stringhe sono come delle sottilissime corde. Quale che sia la loro forma, quark e gluoni non esistono separatamente: uniti tra loro, formano protoni e neutroni, ossia le particelle del nucleo atomico. Invece, all’inizio dell’universo quark e gluoni erano separati, in una sorta di brodo primordiale sotto forma di plasma. Questo plasma sarebbe anisotropo, ossia dotato di proprietà diverse a seconda della direzione da cui si guarda. Se si tiene conto di questa peculiarità, le equazioni necessarie per calcolare il comportamento del plasma quark-gluoni dimostrano che è possibile superare il limite teorico inferiore della viscosità. Insomma, il brodo primordiale dell’universo era estremamente fluido. I fisici sperimentali ora stanno cercando di riprodurlo in laboratorio: nell’acceleratore LHC di Ginevra, due nuclei atomici fatti collidere a un’energia di 170 MeV (megaelettronvolt) permettono di riprodurre il plasma di quark e gluoni. Ora l’obiettivo sarà quello di studiare le proprietà del plasma ottenuto per verificare se la teoria è giusta. Difatti, se i calcoli di Steinder e Rebhan risultassero corretti, la teoria delle stringhe otterrebbe un importante successo, dimostrando di poter predire dei fenomeni verificabili sperimentalmente.