Credits: CERN

Intro: scoperta X(2900)

La particella, che è stata chiamata X(2900), è stata rilevata analizzando tutti i dati che LHCb ha registrato finora dalle collisioni al Large Hadron Collider del CERN.

L’esperimento LHCb al CERN ha dedicato molto tempo alla ricerca di combinazioni esotiche di quark, le particelle elementari che si uniscono per darci particelle composte come il protone e il neutrone. In particolare, LHCb ha osservato diversi tetraquark che, come suggerisce il nome, sono costituiti da quattro quark (o meglio due quark e due antiquark). L’osservazione di queste particelle insolite aiuta gli scienziati a far progredire la nostra conoscenza della forza forte, una delle quattro forze fondamentali conosciute nell’universo.

Segni del nuovo tetraquark

In un seminario del CERN tenutosi virtualmente il 12 agosto, LHCb ha annunciato i primi indizi di un tipo completamente nuovo di tetraquark con una massa di 2,9 GeV/c²: la prima particella di questo tipo con un solo charm quark (o quark c).

Previsti per la prima volta nel 1964, gli scienziati hanno osservato in laboratorio sei tipi di quark (e le loro controparti antiquark): up, down, charm, strange, top e bottom. Poiché i quark non possono esistere liberamente, si raggruppano per formare particelle composte: tre quark o tre antiquark formano “barioni” come il protone, mentre un quark e un antiquark formano “mesoni“.

Il rivelatore LHCb al Large Hadron Collider (LHC) è dedicato allo studio dei mesoni B, che contengono un bottom o un antibottom. Poco dopo essere stati prodotti in seguito a collisioni protone-protone nell’LHC, questi pesanti mesoni si trasformano – o “decadono” – in una varietà di particelle più leggere, che possono subire ulteriori trasformazioni. Gli scienziati dell’LHCb hanno osservato segni del nuovo tetraquark in uno di questi decadimenti, in cui il mesone B caricato positivamente si trasforma in un mesone D positivo, un mesone D negativo e un kaon positivo: B^+→D^+D^-K^+. In totale, hanno studiato circa 1300 candidati per questa particolare trasformazione in tutti i dati che il rivelatore LHCb ha registrato finora.

Il consolidato modello di quark prevede che alcune delle coppie D^+D^- in questa trasformazione potrebbero essere il risultato di particelle intermedie – come il mesone ψ(3770) – che si manifestano solo momentaneamente: B^+→ψ(3770)K^+→D^+D^-K^+. Tuttavia, la teoria non prevede che gli intermediari simili a mesoni risultino in una coppia D^-K^+. Gli scienziati dell’LHCb sono stati quindi sorpresi di vedere nei loro dati una banda chiara corrispondente ad uno stato intermedio che si trasforma in una coppia D^-K^+ ad una massa di circa 2.9 GeV/c², o circa tre volte la massa di un protone.

Credits: CERN

I dati sono stati interpretati come il primo segno di un nuovo stato esotico di quattro quark: un anticharm, un up, un down e un antistrange (c̄uds̄). Tutti i precedenti stati tetraquark-simili osservati da LHCb hanno sempre avuto una coppia di  charm–anticharm, con il risultato di un “charm flavournet-zero. Lo stato appena osservato è la prima volta che si è visto un tetraquark contenente un solo charm, che è stato soprannominato un tetraquark “open-charm“.

“Quando abbiamo visto per la prima volta l’eccesso nei nostri dati, abbiamo pensato che ci fosse un errore“, dice Dan Johnson, che ha condotto l’analisi l’LHC. “Dopo anni di analisi dei dati, abbiamo accettato che c’è davvero qualcosa di sorprendente!

L’importanza della ricerca

Perché questo è importante? Si dà il caso che la giuria non abbia ancora capito cosa sia realmente un tetraquark. Alcuni modelli teorici supportano l’idea che i tetraquark siano coppie di mesoni distinti legati insieme temporaneamente come “molecola“, mentre secondo altri modelli sono come un’unità coesa di quattro particelle. Identificare nuovi tipi di tetraquark e misurare le loro proprietà – come il loro spin quantistico (il loro intrinseco orientamento spaziale) e la loro parità (come appaiono sotto una trasformazione speculare) – aiuterà a dipingere un quadro più chiaro di questi esotici abitanti del mondo subatomico. Aggiunge Johnson: “Questa scoperta ci permetterà anche di mettere alla prova le nostre teorie in un territorio completamente nuovo“.

Mentre l’osservazione dell’LHCb è un primo passo importante, saranno necessari ulteriori dati per verificare la natura della struttura osservata nel decadimento B^+. La collaborazione di LHCb anticiperà anche la verifica indipendente della loro scoperta da altri esperimenti come Belle II. Nel frattempo, l’LHCb continua a fornire nuovi ed entusiasmanti risultati sia per gli sperimentatori che per i teorici.