Big Bang e istanti fluidi: durante il primo millisecondo l’Universo era liquido

Era liquido. Sorprendentemente, quasi paradossalmente liquido. L’Universo nel suo primo istante di vita – quella frazione di secondo immediatamente successiva al Big Bang – scorreva come un fluido ultracaldo e oggi i fisici hanno la prova più nitida mai ottenuta di questo fenomeno straordinario. A firmare la scoperta è la collaborazione CMS (Compact Muon Solenoid) del Large Hadron Collider del CERN, che in uno studio pubblicato su Physics Letters B ha individuato per la prima volta la traccia inequivocabile di una “scia” lasciata da un quark ad alta energia mentre attraversava il plasma di quark e gluoni – la materia primordiale che avrebbe riempito il cosmo nei suoi primissimi istanti. Un fragore cosmico mette alla prova Einstein: la relatività generale supera l’esame più severo Una zuppa a trilioni di gradi Quando i nuclei atomici pesanti vengono accelerati all’interno dell’LHC fino a sfiorare la velocità della luce e poi fatti scontrare, accade qualcosa di straordinario: per una frazione infinitesimale di secondo si ricrea una condizione analoga a quella dell’universo nascente. «La densità e la temperatura sono così elevate che la struttura atomica regolare non viene più mantenuta», spiega Yi Chen, professore associato di fisica alla Vanderbilt University e membro del team CMS. «Tutti i nuclei si sovrappongono e formano il cosiddetto plasma di quark e gluoni, dove quark e gluoni possono muoversi oltre i confini dei nuclei. Si comportano più come un liquido». Questa goccia di materia primordiale è di dimensioni quasi inconcepibili: circa 10⁻¹⁴ metri di diametro, diecimila volte più piccola di un singolo atomo. Eppure, al suo interno, le particelle fondamentali fluiscono collettivamente secondo schemi che non hanno nulla a che vedere con un gas, ma ricordano piuttosto il comportamento di un fluido, il più caldo mai esistito. Un’orbita con un milione di satelliti. La scommessa estrema di SpaceX La barca e l’acqua Per studiare come le particelle ad alta energia interagiscano con questo mezzo esotico, i fisici del CMS hanno fatto ricorso a un’analogia tanto semplice quanto efficace: quella di una barca che solca l’acqua. Un quark energetico che attraversa il plasma dovrebbe lasciare una scia rilevabile, con una leggera “depressione” nella produzione di particelle nella zona dietro di sé, esattamente come la scia lasciata da uno scafo in movimento. «L’acqua viene spinta in avanti dalla barca nella stessa direzione, ma ci aspettiamo anche un piccolo calo del livello dell'acqua dietro la barca, perché l’acqua viene spinta via», illustra Chen. Trovare quel calo, tuttavia, è tutt’altro che banale. La soluzione è arrivata da una particella inaspettata: il bosone Z, vettore della forza nucleare debole. In certi tipi di collisione, un bosone Z e un quark ad alta energia vengono prodotti simultaneamente, proiettati in direzioni opposte. Il bosone Z ha una proprietà preziosa: non interagisce con il plasma e lo attraversa indisturbato, uscendo dalla zona di collisione senza alterazioni. Funziona così come un marcatore di precisione, indicando con affidabilità la direzione originaria del quark. Analizzando le correlazioni tra i bosoni Z e gli adroni – particelle composite formate da quark – emersi dalle collisioni, il team ha potuto misurare la distribuzione delle particelle nella direzione “opposta” al moto del quark. Il risultato è sottile, ma nitido: una soppressione inferiore all’1 per cento nella quantità di plasma nella regione posteriore al passaggio del quark. Ma quella minuscola depressione contiene informazioni preziose. La sua forma e profondità rivelano qualcosa sulle proprietà intrinseche del plasma: un fluido che scorre liberamente, come l’acqua, tende a riempire rapidamente la scia; uno più viscoso, come il miele, la lascia persistere più a lungo. La scoperta si inserisce in un quadro di ricerca più ampio che negli ultimi anni ha progressivamente ridefinito la comprensione del plasma di quark e gluoni. Studi precedenti condotti presso il RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) del Brookhaven National Laboratory avevano già suggerito che questo stato della materia si comportasse più come un liquido a bassissima viscosità che come un gas di particelle libere – un risultato che aveva sorpreso la comunità fisica, abituata a immaginare l’universo primordiale come qualcosa di simile a un vapore incandescente. Le implicazioni vanno ben oltre la fisica delle particelle. Nei primissimi istanti dopo il Big Bang – prima che l’universo si raffreddasse abbastanza da permettere la formazione di protoni, neutroni e infine atomi – l’intero cosmo era permeato da questo plasma. Un’epoca che nessun telescopio potrà mai osservare direttamente, perché l’Universo era allora opaco alla luce. «Le collisioni di ioni pesanti ci offrono un piccolo scorcio su come si comportava l’universo durante quest’epoca», dice Chen. Uno scorcio che, per quanto fugace e indiretto, sta diventando sempre più dettagliato. Un’orbita con un milione di satelliti. La scommessa estrema di SpaceX I giganti dell’Amazzonia peruviana Sono i più grandi, i più antichi, i più preziosi. Immagazzinano la quota di gran lunga più consistente di carbonio dell’intera foresta. E sono esattamente quelli che le motoseghe colpiscono per prime. Un nuovo studio pubblicato sulla rivista Frontiers in Forests and Global Change mette in luce una contraddizione al cuore della politica forestale peruviana: la legislazione vigente autorizza il taglio selettivo proprio degli alberi che svolgono il ruolo più critico nel sequestro del carbonio, minando di fatto la capacità dell’Amazzonia di funzionare come polmone climatico del pianeta. Il Perù è uno dei paesi più boscosi del mondo: quasi il 60 per cento del suo territorio è coperto da foreste, la stragrande maggioranza delle quali si estende nella regione amazzonica, che da sola rappresenta circa l’11 per cento dell’intera foresta pluviale amazzonica globale. L’attuale legge forestale peruviana consente il taglio selettivo degli alberi a partire da un diametro minimo che varia tra i 41 e i 61 centimetri a seconda della specie. In teoria, una misura pensata per garantire la sostenibilità dello sfruttamento. In pratica, un incentivo a colpire i soggetti più grandi e più preziosi: le aziende forestali preferiscono alberi di grandi dimensioni perché producono volumi di legno maggiori con minori costi di trasporto, manodopera e tempo. E questi esemplari tendono anche a essere i più vecchi, con un legno più denso, duro e commercialmente pregiato. Il problema, come dimostra ora la ricerca, è che queste stesse caratteristiche li rendono anche i principali accumulatori di carbonio dell’ecosistema. Ricercatori di tutto il mondo, unitevi: le linee guida sul clima per i politici La misura del carbonio nascosto Per quantificare il fenomeno, Geomar Vallejos-Torres, scienziato agricolo presso l’Università Nazionale di San Martín in Perù e coautore dello studio, insieme ai suoi colleghi ha misurato centinaia di alberi distribuiti in cinque foreste del paese. Per ciascun esemplare sono stati registrati diametro del tronco, altezza, estensione della chioma e densità del legno, dati che hanno permesso di stimare la biomassa sia fuori terra che nel sottosuolo e, di conseguenza, il carbonio immagazzinato. I risultati sono netti. Lo stoccaggio di carbonio aumenta in modo netto all’aumentare del diametro del tronco, con una soglia critica fissata attorno ai 40 centimetri. Le foreste analizzate sequestrano fino a 331 tonnellate di carbonio per ettaro in superficie e altre 47 tonnellate per ettaro nel sottosuolo. Di questo totale, tra l’88 e il 93 per cento – a seconda della specie – è concentrato negli alberi con diametro superiore a quella soglia. Un singolo albero del pane (Brosimum alicastrum), ad esempio, accumula nell’88,7 per cento dei casi il proprio carbonio fuori terra in esemplari che superano i 40 centimetri, contro l’11,4 per cento nei soggetti più piccoli. «Data l’urgenza di preservare le riserve di carbonio, è necessario proteggere gli alberi con diametro superiore ai 41 centimetri», afferma Vallejos-Torres. «Ciò consentirebbe anche di salvaguardare la biodiversità forestale, la microfauna e il microclima, rafforzando la resilienza degli ecosistemi ai futuri cambiamenti climatici».