Tomasz Skwarnicki, professore di fisica nel College of Arts and Sciences della Syracuse University, ha scoperto nuove informazioni su una classe di particelle chiamate pentaquark. Le sue scoperte potrebbero portare a una nuova comprensione della struttura della materia nell'universo.

Assist di Liming Zhang, professore associato alla Tsinghua University di Pechino, Skwarnicki ha analizzato i dati dell'esperimento Large Hadron Collider beauty (LHCb) al Large Hadron Collider (LHC) del CERN in Svizzera. Il fisico sperimentale ha scoperto prove di tre pentaquark mai visti prima, ciascuno diviso in due parti.

"Fino ad ora, avevamo pensato che un pentaquark fosse composto da cinque particelle elementari [chiamate quark], bloccati insieme. I nostri risultati dimostrano il contrario, "dice Skwarnicki, un membro dell'American Physical Society.

Skwarnicki fa parte di un team di ricercatori, compresi i membri del gruppo di fisica delle alte energie (HEP) di Siracusa, studiare le particelle e le forze fondamentali nell'Universo. La maggior parte del loro lavoro si svolge presso il laboratorio del CERN, il cui LHC è il più grande, rivelatore di particelle più potente al mondo.

È all'interno dell'LHC che i protoni vengono lanciati insieme ad alte energie, solo per scontrarsi tra loro. Cosa c'è dentro le particelle, quando è aperto, aiuta gli scienziati a sondare i misteri dell'universo fondamentale.

Studio delle collisioni di protoni dal 2015-18, Skwarnicki ha confermato l'esistenza di una sottostruttura all'interno di un pentaquark. Il regalo, lui dice, era un trio di picchi stretti nei dati cinematici di LHC.

Ogni picco si riferisce a un particolare pentaquark, in particolare, uno diviso in due parti:un barione, contenente tre quark, e un mesone, con due quark.

Un picco suggerisce anche risonanza, un fenomeno di breve durata durante il decadimento delle particelle, in cui una particella instabile si trasforma in molte altre. La risonanza si verifica quando i protoni (un tipo di barione) si incontrano o, più accuratamente, scivolano l'uno nell'altro durante una collisione con LHC.

Ciò che rende unico ciascuno di questi tre pentaquark è che la sua massa è leggermente inferiore alla somma delle sue parti, in questo caso, le masse del barione e del mesone. "Il pentaquark non è decaduto con la sua solita facilità, processo di caduta, " dice Skwarnicki. "Invece, decadde riordinando lentamente e faticosamente i suoi quark, formando una stretta risonanza."

Comprendere come le particelle interagiscono e si legano tra loro è la specialità di Skwarnicki. Nel 2015, lui e poi Ph.D. studente Nathan Jurik G'16, Il distinto professor Sheldon Stone e Zhang hanno fatto notizia con il loro ruolo nel rilevamento di un pentaquark da parte di LHCb. Teorizzato mezzo secolo prima, la loro scoperta ha attinto ai dati di LHC dal 2011-12.

Gli ultimi dati di LHCb hanno utilizzato un raggio di energia quasi due volte più forte. Questo metodo, combinato con criteri di selezione dei dati più raffinati, prodotto una gamma più ampia di collisioni protoniche.

"Ci ha anche fornito 10 volte più dati e ci ha permesso di osservare le strutture dei pentaquark più chiaramente di prima, "Skwarnicki dice. "Quello che pensavamo fosse solo un pentaquark si è rivelato essere due piccoli, con poco spazio tra di loro."

I dati hanno anche rivelato un terzo pentaquark "compagno". "Tutti e tre i pentaquark avevano lo stesso schema:un barione con una sottostruttura mesonica. Le loro masse erano al di sotto delle soglie appropriate del barione-mesone, " Aggiunge.

La scoperta di Skwarnicki è avvenuta relativamente velocemente, considerando che LHCb ha smesso di raccogliere dati meno di tre mesi fa.

Eric Sedore, CIO associato per i servizi di infrastruttura in Information Technology Services (ITS), svolto un ruolo di supporto. Il suo Research Computing Team ha fornito a Skwarnicki la potenza di fuoco necessaria per raggiungere i suoi obiettivi.

Oltre a Skwarnicki e Stone, HEP include i professori Marina Artuso e Steven Blusk e l'assistente professore Matthew Rudolph. Il gruppo sta attualmente costruendo un apparato nel campus chiamato Upstream Tracker (UT), essere spedito e installato al CERN il prossimo anno come parte di un importante aggiornamento di LHCb.

"L'UT migliorerà significativamente LHCb, che è composto da circa 10 diversi sottorivelatori. Sono fiducioso che l'UT porterà a ulteriori scoperte, "dice Skwarnicki, aggiungendo che Artuso e Stone sono il leader e vice del progetto UT, rispettivamente.

Skwarnicki è entusiasta di LHCb perché aiuta a spiegare come si comportano i più piccoli costituenti della materia. La sua ultima scoperta, ad esempio, dimostra che i pentaquark sono costruiti allo stesso modo dei protoni e dei neutroni, che sono legati insieme nel nucleo di un atomo.

"I pentaquark potrebbero non svolgere un ruolo significativo nella materia di cui siamo fatti, " lui dice, "ma la loro esistenza può influenzare significativamente i nostri modelli della materia trovata in altre parti dell'universo, come le stelle di neutroni".