Introduzione

La collaborazione Large Hadron Collider Beauty (LHCb) ha osservato un tipo di particella a quattro quark mai vista prima. La scoperta, presentata in un recente seminario al CERN e descritta in un articolo pubblicato il primo luglio, è probabilmente la prima di una classe di particelle mai viste prima dai fisici.

La scoperta aiuterà i fisici a comprendere meglio i quark, un tipo di particella elementare che è un elemento fondamentale di tutta la materia. I quark si formano insieme per formare particelle composte note come adroni, che includono protoni e neutroni. Questa nuova scoperta può aiutare gli scienziati a capire i complessi modi in cui i quark si legano tra loro per formare questi composti.

I gruppi di quark

I quark in genere si combinano insieme in gruppi di due e tre per formare adroni. Per decenni, tuttavia, i teorici hanno predetto l’esistenza di adroni a quattro-quark e cinque-quark, che a volte sono descritti come tetraquark e pentaquark e negli ultimi anni esperimenti – tra cui l’LHCb – hanno confermato l’esistenza di molti di questi adroni esotici.

Queste particelle fatte di insolite combinazioni di quark sono un “laboratorio” ideale per studiare una delle quattro forze fondamentali note della natura, la forte interazione che lega protoni, neutroni e i nuclei atomici che compongono la materia. La conoscenza dettagliata della forte interazione è anche essenziale per determinare se nuovi processi inaspettati sono un segno di nuova fisica o solo di fisica standard.

Le particelle composte da quattro quark sono già esotiche e quella che abbiamo appena scoperto è la prima ad essere composta da quattro quark pesanti dello stesso tipo, nello specifico due quark charm e due antiquark charm“, dice il portavoce uscente della collaborazione LHCb, Giovanni Passaleva“. Finora l’LHCb e altri esperimenti avevano osservato solo tetraquark con due quark pesanti al massimo e nessuno con più di due quark dello stesso tipo”.

Chris Parkes, portavoce della LHCb in arrivo e professore dell’Università di Manchester afferma: “E’ un grande piacere e un onore assumere l’incarico di portavoce della LHCb. La collaborazione comprende oltre 1400 membri provenienti da 19 paesi diversi, una comunità che lavora insieme per far progredire i nostri obiettivi scientifici. L’Università di Manchester e le altre dieci istituzioni del Regno Unito svolgono un ruolo di primo piano nella collaborazione“.

Il professore continua dicendo: “La scoperta di oggi apre un altro emozionante capitolo di questo libro scientifico, che ci permette di studiare la nostra teoria delle particelle di materia in un caso estremo. Questa particella è un caso estremo – si tratta di un adrone esotico, contenente quattro quark piuttosto che due o tre nelle particelle di materia convenzionali, e il primo a contenere quark pesanti.

Studiare un sistema estremo permette agli scienziati di mettere alla prova le nostre teorie. Attraverso lo studio di questa particella, e la speranza di scoprire altre particelle in questa classe in questo futuro, metteremo alla prova la nostra teoria di come i quark si combinano, che governano anche i protoni e i neutroni“.

La tecnica usata nella nuova scoperta

Il team di LHCb ha trovato il nuovo tetraquark utilizzando la tecnica della particle-hunting (caccia alle particelle), che consiste nel cercare un eccesso di eventi di collisione, noto come “bump“, su uno sfondo omogeneo di eventi. Setacciando tutti i set di dati LHCb della prima e della seconda serie di dati del Large Hadron Collider, che si sono svolti rispettivamente dal 2009 al 2013 e dal 2015 al 2018, i ricercatori hanno rilevato un bump nella distribuzione di massa delle particelle, che consistono di un quark charm e di un antiquark charm.

L’urto ha una significatività statistica di oltre cinque deviazioni standard, la soglia abituale per rivendicare la scoperta di una nuova particella e corrisponde a una massa alla quale si prevede l’esistenza di particelle composte da quattro quark charm.

Una vera tetraquark?

Come per le precedenti scoperte di tetraquark, non è del tutto chiaro se la nuova particella sia una “vera tetraquark“, cioè un sistema di quattro quark strettamente legati tra loro, o una coppia di particelle a due quark debolmente legate in una struttura molecolare. In entrambi i casi, il nuovo tetraquark aiuterà i teorici a testare i modelli della cromodinamica quantistica, la teoria della forte interazione.

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