La collaborazione LHCb ha pubblicato oggi sul sito open access arXiv.org uno studio che descrive la scoperta di una classe di particelle esotiche note come pentaquark. L'articolo è stato proposto per la pubblicazione alla rivista Physical Review Letters.
«Il pentaquark osservato non è soltanto una nuova particella - ha spiegato Alessandro Cardini, responsabile dell’esperimento LHCb per l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare INFN – ma anche un nuovo modo in cui i quark, che rappresentano i costituenti fondamentali di neutroni e protoni, possono combinarsi tra loro, in uno schema mai osservato prima in oltre cinquant'anni di ricerche sperimentali».
La recente scoperta è soltanto il primo passo: «Ulteriori studi delle proprietà dei pentaquark ci permetteranno di comprendere meglio la natura di neutroni e protoni, i costituenti della materia di cui siamo fatti noi e tutto ciò che ci circonda», spiega ancora Cardini.
In principio furono i barioni. La nostra comprensione della struttura della materia è stata rivoluzionata nel 1964, quando il fisico americano, Murray Gell-Mann, ha proposto che una categoria di particelle, note come barioni, e che comprende protoni e neutroni, fossero composti di tre oggetti chiamati quark, e che un’altra categoria, i mesoni, fossero invece formati di coppie quark-antiquark. Gell-Mann fu insignito per questo lavoro del Premio Nobel per la fisica nel 1969.
Ma il modello a quark elaborato da Gell-Mann permette anche l'esistenza di altri stati di aggregati di quark, come il pentaquark, appunto, composto da quattro quark e un antiquark. Fino ad ora, tuttavia, nonostante una ricerca serrata durata mezzo secolo e condotta da parte di molti esperimenti in tutto il mondo, non era mai stata portata nessuna prova conclusiva dell’esistenza del pentaquark.
I ricercatori di LHCb hanno cercato stati di pentaquark esaminando il decadimento di un barione, conosciuto come Λb (Lambda b), in altre tre particelle: una J/ψ (J-psi), un protone e un kaone carico. Lo studio della distribuzione dell'energia della J/ψ e del protone ha rivelato che stati di aggregazione di materia intermedi, i pentaquark appunto, si formano a volte nel corso del decadimento di questi barioni.
Tutto grazie al rinnovato LHC. «Approfittando della grande mole di dati forniti da LHC, e potendo contare sull'eccellente precisione del nostro rivelatore, abbiamo esaminato tutte le possibilità per questi segnali, e abbiamo concluso che si può spiegare solo con stati di pentaquark», spiega il fisico della collaborazione internazionale LHCb Tomasz Skwarnicki, della Syracuse University negli Stati Uniti, che ha coordinato lo studio. «Più precisamente gli stati devono essere formati da due quark up, un quark down, un quark charm e un anti-quark charm», conclude Skwarnicki.
La ricerca di questi nuovi agglomerati di quark dura da cinquant’anni e conta numerosi risultati che inizialmente erano sembrati positivi ma che successivamente, sottoposti a ulteriori verifiche, si sono rivelati invece inconcludenti. Ora, il risultato dell’esperimento LHCb è forte di un’analisi dei dati estremamente accurata a rigorosa, basata su un’elevatissima statistica, mai raggiunta prima, e su un’altissima precisione del rivelatore. LHCb è stato così in grado di studiare i pentaquark da molte prospettive, e tutte puntano alla stessa conclusione. È come se gli studi precedenti avessero individuato delle silhouette nel buio e le avessero associate ai pentaquark, mentre LHCb ha condotto la sua ricerca a luci accese e da tutte le angolazioni.
Cercare un quark in un pagliaio. «L'esistenza di particelle esotiche, quelle che non riusciamo a inquadrare nei modelli che descrivono mesoni e barioni, è ormai un fatto sperimentalmente accertato: ad esempio, stati con quattro quark sono già stati scoperti in diversi esperimenti, incluso LHCb», approfondisce Pierluigi Campana, a capo della collaborazione internazionale LHCb dal 2011 al 2014. «Però adesso abbiamo una forte indicazione di qualcosa di equivalente per i cinque quark. E questo grazie alla capacità di LHCb di riconoscere la natura delle particelle, in mezzo a quella tempesta di tracce che ci è generosamente offerta dalle collisioni a LHC», conclude Campana.
Ma questo risultato non è conclusivo, perché i pentaquark sono una classe di particelle che ci può aprire le porte a una comprensione molto più approfondita della materia. Infatti, se noi conosciamo bene la forza elettromagnetica che tiene legati assieme gli atomi, cioè i nucleoni e gli elettroni, non altrettanto possiamo dire della forza forte, che tiene legati sia i protoni e i neutroni all’interno del nucleo, sia i quark che li compongono tra di loro.
«La scoperta della collaborazione LHCb, di uno stato composto da cinque quark, se sarà confermata, arriva gradita, ma non inattesa», commenta Luciano Maiani, fisico teorico fra coloro che hanno maggiormente contribuito agli studi sui quark.
Una nuova serie di particelle subnucleari? «Nel lavoro in cui introduceva i quark, Gell-Mann aveva anche suggerito che, oltre ai mesoni noti fatti da una coppia quark-antiquark, potessero esistere particelle mesoniche composte da due coppie quark-antiquark (tetraquark) e che, oltre alle particelle barioniche composte da tre quark, potessero esserci dei pentaquark. Ci attende adesso l’esplorazione di un nuovo mondo di particelle, al CERN e ai collisori elettrone-positrone in Giappone e in Cina. Speriamo di trovare, nei pentaquark, quella “pistola fumante” che convinca anche gli scettici dell’esistenza di una nuova serie di particelle subnucleari, che ci daranno informazioni cruciali sulle, ancora misteriose, interazioni forti», conclude Maiani.
Quindi, si apre ora tutto un nuovo filone di ricerca. Il passo successivo per l'analisi sarà perciò studiare come i quark sono legati all'interno dei pentaquark. I quark, infatti, potrebbero essere strettamente vincolati, oppure potrebbero essere tenuti assieme più debolmente in una sorta di molecola mesone-barione, in cui il mesone e il barione risentono del residuo dell’interazione forte, la stessa forza che lega protoni e neutroni a formare i nuclei. Saranno quindi necessari ulteriori studi per distinguere tra queste possibilità, e per vedere che cosa i pentaquark possono insegnarci. I nuovi dati che LHCb raccoglierà durante il RUN2 di LHC consentiranno di compiere progressi in questo campo.
Gli aspetti teorici. Idee sulla struttura di tetra e pentaquark sono state avanzate da diversi autori a partire dagli anni ’70 del secolo scorso (R. Jaffe, poi G. Rossi e G. Veneziano e successivamente R. Jaffe e F. Wilczeck), ma nessuna prova sperimentale indicava allora la presenza di particelle più complicate del minimo necessario. La situazione è cambiata con la scoperta di particelle costituite da quark “pesanti”, il quark charm e il quark beauty. Nel decadimento di una particella con quark pesanti, questi ultimi non possono “sparire”: li possiamo rintracciare nelle particelle dello stato finale e vedere se nella particella iniziale non ce ne dovessero essere degli altri.
L’idea che alcuni mesoni, osservati a partire dal 2003 e non interpretabili nello schema tradizionale fossero tetraquark formati da una coppia di quark pesanti e una di quark leggeri, è stata avanzata nel 2005 dal nostro gruppo (L. Maiani, A. Polosa, F. Piccinini, V. Riquer) e approfondita negli anni successivi, tra gli altri da S. Weinberg e da S. Brodsky, negli USA. Mesoni contenenti una coppia di quark beauty sono stati interpretati come tetraquark da A. Ali e altri collaboratori del laboratorio DESY, in Germania.
Nel 2007, la scoperta del mesone Z+, da parte della collaborazione BELLE in Giappone, è stata confermata nel 2014 da LHCb. Oltre a una coppia charm-anticharm, che ha nel complesso carica elettrica zero, lo Z+ “deve” contenere una coppia di quark leggeri, per arrivare alla carica elettrica positiva osservata, proprio come previsto dai nostri tetraquark. I pentaquark osservati sono di questo tipo: decadono in un mesone charm-anticharm e in un protone, quindi devono contenere, in aggiunta, due quark up e un quark down. L’esistenza dei pentaquark è una logica conseguenza dell’esistenza dei tetraquark.
A cura di INFN
