Scienze

LHC: scoperte nuove particelle esotiche

Aumenta la famiglia dei quark e i fisici sono più vicini a una più esatta interpretazione teorica dei tetraquark.

Il 28 giugno scorso il team della collaborazione LHCb ha comunicato di avere rilevato indizi - nei dati di LHC - di tre nuove particelle e ha confermato l'esistenza di una quarta particella. Le particelle sembrano costituite da quattro quark (il costituente fondamentale di tutta la materia dell'Universo): due quark e due antiquark (tetraquark). Proprio a causa di questa composizione, non standard, sono state definite particelle esotiche, un'affollata categoria di particelle per le quali gli scienziati ancora non hanno una esatta interpretazione teorica.

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Una collaborazione è esattamente ciò che suggerisce il nome: l'LHC, nel suo insieme, è una collaborazione di oltre 3.000 scienziati per condurre gli esperimenti di fisica delle particelle più grandi e complessi del mondo. Tenuto conto delle proporzioni e della possibilità che un esperimento possa essere condotto in collaborazione da centri di ricerca in tutto il mondo, nelle nostre pagine usiamo collaborazione ed esperimento come sinonimi. Nell'illustrazione, il tunnel di 27 km dell'LHC: gli esperimenti sono condotti in differenti "caverne" che ospitano i rivelatori e la strumentazione. © Philippe Mouche

Due, tre, quattro quark. Il modello a quark, proposto nel 1964 da Murray Gell-Mann (Nobel per la fisica nel 1969), è il miglior schema di classificazione degli adroni (protoni e neutroni, le particelle composte) di cui disponiamo ed è parte del Modello Standard della fisica delle particelle. Nello schema, gli adroni sono classificati in base al loro contenuto in quark.

Per lungo tempo sono stati osservati e rilevati solamente adroni formati dalla coppia quark-antiquark (mesoni) oppure da tre quark (barioni).

Nel 2003, e ancora di più negli ultimi dieci anni, molti esperimenti hanno però trovato evidenze dell'esistenza di particelle formate da più di tre quark, come quella rilevata nel 2009 al CDF (Collider Detector at Fermilab, Chicago, Usa): chiamata X(4140) - la lettera indica la provvisorietà del nome, il numero esprime la massa in megaelectronvolts (MeV) - è stata confermata da altri esperimenti e adesso con l'LHC, che nel 2014 rilevò anche Z(4430).

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La tavola delle particelle elementari. Clicca sull'immagine per ingrandirla. © Focus

Finora però i numeri quantici di X(4140) non sono stati interamente determinati, e questo ha introdotto un elemento di incertezza nella teoria del modello a tetraquark. La collaborazione LHCb potrebbe determinare i numeri quantici di X(4140) con elevata precisione, e questo avrebbe una ricaduta molto importante sull'interpretazione teorica di queste particelle, forse chiudendo la discussione su teorie alternative, come quella dell'interpretazione di queste particelle come molecole mesoniche (che cos'è un mesone?).

I numeri quantici identificano le proprietà di una particella

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Le particelle del Modello Standard. Clicca sull'immagine per ingrandirla. © Focus 232

Più in dettaglio. Mentre X(4140) è stata confermata, l'osservazione di tre nuove particelle esotiche di massa superiore, X(4274), X(4500) e X(4700), è stata annunciata per la prima volta.

Anche se tutte e quattro hanno la stessa composizione in quark, ognuna ha struttura, massa e set di numeri quantici univoci.

Questi risultati sono basati sulla dettagliata analisi del decadimento di un mesone B+ nei mesoni J/ψ, φ e K+. Per la ricerca, i fisici di LHCb hanno utilizzato l'intero set di dati collezionati tra il 2010 e il 2012, durante la prima fase di funzionamento dell'LHC.

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6 luglio 2016 Raymond Zreick
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