Panoramica
La ricerca in fisica nucleare si concentra sulla comprensione della materia composta da quark e gluoni, che costituisce il 99% della massa dell’universo. La maggior parte di questa materia si trova al centro degli atomi, gli stessi atomi che comprendono tutto ciò che vediamo intorno a noi (incluso noi stessi). I ricercatori cercano di rispondere a domande come come l’universo si è evoluto subito dopo il Big Bang da un plasma super-caldo di quark e gluoni, come si sono formati i diversi elementi dell’universo e come un nucleo è costituito da singoli protoni e neutroni che interagiscono tra loro con la forza più forte in Natura. I protoni e i neutroni stessi sono gli stati legati di base dei quark nell’universo; come questi stati siano formati da quark che interagiscono con il campo gluonico descritto dalla Cromodinamica Quantistica è ancora poco conosciuto e sotto studio attivo.
Ricerca sperimentale di fisica nucleare
La moderna ricerca sperimentale in questo campo utilizza l’accelerazione ad alta energia di protoni e nuclei di grandi dimensioni, mentre gran parte della moderna ricerca teorica si basa su strutture computazionali ad alta potenza per comprendere i dati e fare previsioni dettagliate. L’Università del Colorado ha gruppi attivi nella ricerca teorica e sperimentale in fisica nucleare.
Facoltà partecipanti
Ricerca teorica di fisica nucleare
I fisici in questo campo esplorano la natura della forza forte studiando la teoria della Cromodinamica Quantistica. A differenza della teoria quantistica dell’elettromagnetismo, la cromodinamica quantistica ha la proprietà che le particelle fondamentali (quark e gluoni) interagiscono sempre più debolmente quando vengono sondate a scale o temperature di energia sempre più elevate. Questa proprietà della teoria è chiamata libertà asintotica.
Plasma di Quark-Gluoni
Una conseguenza interessante della libertà asintotica è che a un certo punto l’interazione dovrebbe essere così debole che le particelle fondamentali non sono più legate (con ned) all’interno dei nuclei ordinari. Utilizzando simulazioni al computer all’avanguardia della cromodinamica quantistica a temperatura nite, è possibile calcolare questa temperatura per essere T≈170 MeV, o circa 2 trilioni di Kelvin. Al di sopra di questa temperatura, la materia si trova in una nuova fase della materia, chiamata plasma di quark-gluoni. Le proprietà di questo plasma di quark-gluoni sono attualmente studiate utilizzando esperimenti presso il Relativistic Heavy-Ion Collider (RHIC) e il Large Hadron Collider (LHC).
Idrodinamica relativistica
I dati sperimentali di RHIC e LHC indicano fortemente che il plasma quark-gluone è un liquido eccezionalmente buono, con una viscosità molto piccola. Questo motiva lo studio teorico dei risultati sperimentali utilizzando simulazioni fluidodinamiche. Poiché l’energia coinvolta in questi esperimenti è molto grande, i costituenti fluidi si muovono quasi alla velocità della luce, rendendo necessario utilizzare una versione completamente relativistica dell’idrodinamica.
Le stelle di neutroni
Densità molto elevate sono simili a temperature molto elevate nel senso che l’interazione della Cromodinamica Quantistica diventa debole. I centri delle stelle di neutroni dovrebbero raggiungere le più alte densità di particelle nell’universo, quindi è possibile che le stelle di neutroni portino materia di quark nei loro nuclei interni. Lo studio delle proprietà delle stelle di neutroni e il confronto con i dati osservazionali è anche uno dei temi di ricerca della fisica nucleare teorica.
Facoltà partecipanti
- Paul Romatschke