La chiralità alla base dell'universo

Non prevedevo di scrivere la versione italiana di un post sull'ultima news proveniente dal RHIC, ma mi è stato gentilmente chiesto, e provvedo ben volentieri. Inizio, però, con un piccolo cappello, alla fine del quale saprete che c'è anche un piccolissimo pezzetto (il doppio diminutivo è perché i firmatari del papero su arXiv sono veramente tanti) d'Italia in questa interessante scoperta.
Tutto nasce da un post, nel flusso twittero, di Annalisa Arci, in cui racconta, in maniera e con un approccio diverso rispetto a quanto segue (quindi vi conviene leggere anche quello) la storia della scoperta della Collaborazione STAR. Questo è, come abbiamo imparato grazie all'LHC, un grande esperimento cui lavorano qualche decina e decina di ricercatori tra fisici e ingegneri presso il RHIC, ovvero il Relativistic Heavy Ion Collider, acceleratore che si trova nelle campagne di New York. E qui, come forse qualcuno che mi segue da un po' avrà già intuito, si arriva al piccolo pezzo d'Italia presente oltreoceano. Ve l'ho sottolineato nella porzione di autori che metto qui sotto (foto scattata dopo aver stampato il papero):

Salvatore, questo il suo nome, è un amico. Ci siamo conosciuti durante il dottorato all'Università della Calabria e da qualche anno è a New York e lavora a delle robette divertenti legate al mondo delle particelle elementari come quelle che sto per raccontarvi. Partiamo dall'inizio: come ben sappiamo all'interno delle particelle che costituiscono i nuclei atomici, ovvero protoni e neutroni, ci sono delle ulteriori particelle elementari, i quark, che posseggono una carica frazionaria, che vengono messe in interazione una con l'altra dai gluoni, i bosoni dell'interazione nucleare. E' proprio grazie ai gluoni che è impossibile osservare un quark libero, per esempio, ma se andiamo ai primissimi istanti dell'universo, si suppone che esisteva uno stato della materia detto plasma di quark e gluoni. Grazie all'osservazione dei così detti jet di quark, abbiamo un certo grado di sicurezza che tale plasma è stato in qualche modo creato all'interno dei grandi acceleratori in funzione, proprio le grandi macchine citate prima, il RHIC e l'LHC, e in particolare nelle collisioni tra ioni pesanti.
Quando succede qualcosa del genere, i modelli teorici in uso prevedono anche che sia possibile, alle opportune condizioni, osservare degli effetti e degli stati della materia un po' più direttamente collegati al plasma di quark-gluoni rispetto ai jet. Ad esempio, in presenza di anomalie assiali, dovute alla presenza di intensi campi elettromagnetici, vengono generati due nuovi stati detti Effetto Magnetico Chirale (EMC) ed Effetto di Separazione Chirale (ESC).

L'EMC è il fenomeno di separazione della carica elettrica lungo lasse del campo magnetico applicato in presenza della fluttuazione della carica topologica.
L'ESC si riferisce alla separazione della carica chirale lungo l'asse del campo magnetico esterno a densità finita del vettore di carica (ad esempio a densità finita nel numero barionico)⁽⁵⁾

Questi due effetti sono generati dalla topologia del sistema: infatti, all'interno della teoria^{(1, 2, 3)} è contemplata l'esistenza di alcuni numeri (detti invarianti topologiche, o anche numeri di carica⁽⁴⁾) che, sebbene non associati con alcuna osservabile, generano comunque degli effetti fisicamente rilevanti a causa del legame tra tali invarianti con le simmetrie del sistema.

In particolare quando le due eccitazioni EMC ed ESC sono generate contemporaneamente, possono interagire tra loro e generare un nuovo stato all'interno del plasma di quark-gluoni, detto Onda Magnetica Chirale (OMC).

Questa eccitazione scaturisce dall'accoppiamento tra le onde di densità delle cariche elettrica e chirale. Lasciateci illustrare questa affermazione con argomenti qualitativi (...): consideriamo una fluttuazione locale della densità di carica elettrica; (...) essa inttrodurrà un potenziale locale, e quindi (...) una fluttuazione della corrente elettrica. La risultante fluttuazione della densità di carica elettrica completa il ciclo che conduce all'eccitazione che combina la densità delle onde di carica elettrica e chirale⁽⁵⁾.

Sono proprio quelle che, giustamente, Annalisa chiama increspature nel plasma di quark e gluoni, e il fatto che le OMC sono state osservate all'interno del RHIC⁽⁶⁾ è un evento importante, sia per il legame che tale stato ha con il plasma primordiale (perché questo è), sia perché è un ulteriore passo che ci avvicina all'istante del big bang.

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(1) Belavina A.A., Polyakova A.M., Schwartza A.S. & Tyupkina Y.S. (1975). Pseudoparticle solutions of the Yang-Mills equations, Physics Letters B, 59 (1) 85-87. DOI: 10.1016/0370-2693(75)90163-X
(2) Hooft G.'t. (1976). Symmetry Breaking through Bell-Jackiw Anomalies, Physical Review Letters, 37 (8) DOI: 10.1103/PhysRevLett.37.8
(3) Hooft G.'t. (1976). Computation of the quantum effects due to a four-dimensional pseudoparticle, Physical Review D, 14 DOI: 10.1103/PhysRevD.14.3432
(4) Fukushima K., Kharzeev D.E. & Warringa H.J. (2008). The Chiral Magnetic Effect, Physics Review D, 78 (7) DOI: 10.1103/PhysRevD.78.074033 (arXiv)
(5) Kharzeev D.E. & Yee H.U. (2011). Chiral Magnetic Wave, Physical Review D, 83 DOI: 10.1103/PhysRevD.83.085007 (arXiv)
(6) STAR Collaboration (2015). Observation of charge asymmetry dependence of pion elliptic flow and the possible chiral magnetic wave in heavy-ion collisions arXiv arXiv: 1504.02175v2