L’esperimento ALICE all’acceleratore LHC, Large Hadron Collider, del CERN ha identificato, nelle collisioni tra protoni di altissima energia, il meccanismo dominante responsabile della formazione di nuclei e antinuclei leggeri. I risultati, pubblicati oggi, 10 dicembre 2025, su Nature, risolvono una questione dibattuta da tempo nella fisica nucleare e hanno implicazioni per l’astrofisica, la cosmologia e la ricerca della materia oscura.
All’interno dell’acceleratore LHC, protoni o nuclei più pesanti collidono a velocità prossime a quella della luce. Da queste collisioni emergono decine di nuove particelle, tra cui nuclei leggeri come il deutone, che vengono misurati dai grandi rivelatori che circondano i punti di collisione in LHC, come il rivelatore ALICE. Il deutone è il nucleo legato più semplice, composto da un protone e un neutrone tenuti insieme dalla interazione forte. L’energia di legame tra i suoi costituenti è molto bassa, di soli circa 2 megaelettronvolt (MeV). Come sistemi così fragili possano formarsi e sopravvivere in un ambiente tanto energetico è stato oggetto di discussione per decenni.
Nel nuovo studio, la Collaborazione scientifica dell’esperimento ALICE, alla quale partecipa anche l’INFN, ha applicato una tecnica chiamata femtoscopia, che consiste nel misurare le correlazioni tra coppie di particelle con direzione e velocità molto simili, prodotte nelle collisioni a LHC. Queste correlazioni rivelano dettagli su come le particelle interagiscono e vengono prodotte. Studiando le coppie deutoni-pioni prodotte in collisioni di protoni, è stata identificata una caratteristica distintiva: un picco pronunciato nella distribuzione delle correlazioni osservate.
I ricercatori e le ricercatrici di ALICE hanno dimostrato che questa caratteristica dei dati emerge naturalmente se il deutone viene prodotto dopo il decadimento di una particella di breve durata chiamata risonanza Δ (Delta), uno stato eccitato e instabile del protone che esiste per un tempo estremamente breve prima di decadere in un protone e un pione. I dati mostrano che i deutoni si formano prevalentemente tramite fusione nucleare: un protone proveniente dal decadimento della risonanza Δ trova un neutrone vicino e si fonde con esso per formare un deutone, mentre il pione associato porta via l’energia in eccesso, permettendo al nuovo nucleo di emergere intatto.
“Questo studio conferma che la formazione dei deutoni in queste collisioni è un processo sequenziale”, spiega Oton Vazquez Doce, ricercatore dei Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN e della Collaborazione ALICE. “Prima la risonanza decade producendo nucleoni, poi questi nucleoni si uniscono per formare nuclei leggeri. Questa formazione sequenziale indica che i deutoni emergono in una fase successiva e più fredda della collisione, aumentando le loro possibilità di sopravvivenza”, conclude Vazquez Doce.
I risultati indicano che circa il 90% dei deutoni e antideutoni osservati non emerge direttamente dalla collisione, ma ha origine da una sequenza in cui il decadimento di una risonanza è seguito da fusione nucleare, fornendo un chiaro riscontro sperimentale sul meccanismo di formazione dei nuclei leggeri nelle collisioni nucleari.
“Questa scoperta ha implicazioni anche al di là della fisica nucleare. Nuclei e antinuclei leggeri vengono prodotti anche nelle interazioni dei raggi cosmici e potrebbero comparire come sottoprodotti del decadimento della materia oscura. Comprendere esattamente come si formano può aiutare a distinguere i processi astrofisici ordinari da potenziali segnali di materia oscura”, spiega Andrea Dainese, ricercatore della Sezione INFN di Padova e della Collaborazione ALICE.
“Il rivelatore ALICE è progettato per studiare uno stato primordiale della materia, il plasma di quark e gluoni, nelle collisioni tra ioni pesanti e costituisce uno strumento unico nel panorama scientifico internazionale per lo studio dell’interazione forte ad alte temperature”, commenta Federico Antinori, ricercatore della Sezione INFN di Padova e responsabile nazionale della Collaborazione ALICE. “L’esperimento si conferma anche come uno strumento molto versatile per la fisica nucleare più convenzionale, offrendo nuovi preziosi elementi sperimentali, che si estendono all’astrofisica, alla cosmologia e ad altri settori della fisica fondamentale”, conclude Antinori.
Istituto Fisica Nucleare
