La previsione delle proprietà delle particelle subatomiche prima della loro scoperta sperimentale è stata una grande sfida per i fisici. In un recente articolo pubblicato il 28 luglio in Lettere di revisione fisica Nilmani Mathur del Tata Institute of Fundamental Research, Bombay, e il signor Padmanath, un ex studente del TIFR, hanno previsto i numeri quantici di cinque Ω ⁰ _C barioni che sono stati recentemente scoperti da un esperimento al Large Hadron Collider (la collaborazione LHCb) al CERN. Questi risultati aiuteranno a comprendere la natura delle interazioni forti nell'Universo.

Un barione è una particella subatomica composita composta da tre quark di valenza ed è legata da gluoni attraverso interazioni forti. Il barione più noto è il protone che insieme a un elettrone costituisce un atomo di idrogeno. Un'immagine semplicistica di un protone è una combinazione di due quark up e un quark down. Nella teoria delle interazioni forti ci sono sei quark ciascuno con tre cariche di colore. Questa teoria consente qualsiasi combinazione di un quark e un anti-quark, nonché qualsiasi combinazione di tre quark in uno stato di colore neutro, che dà luogo a varietà di particelle subatomiche chiamate mesoni e barioni, rispettivamente. La scoperta di molti mesoni e barioni dalla metà del XX secolo, ha svolto un ruolo cruciale nella comprensione della natura delle interazioni forti. Si prevede che molti altri mesoni e barioni verranno scoperti negli esperimenti in corso al CERN e futuri esperimenti ad alta energia.

Questi barioni scoperti di recente sono chiamati Ω ⁰ _C composto da due quark strani e un quark charm. Questi sono gli stati eccitati di Ω ⁰ _C barione, proprio come gli stati eccitati dell'atomo di idrogeno.

Cromodinamica quantistica (QCD) che si crede sia la teoria delle interazioni forti, è una teoria altamente non lineare e può essere risolta analiticamente solo a energie molto elevate dove la forza delle interazioni è piuttosto piccola. Fino ad oggi non esiste una soluzione analitica di QCD per ottenere le proprietà delle particelle subatomiche, come il protone e Ω _C . Ciò richiede l'implementazione numerica della QCD su reticoli spazio-temporali nota come reticolo QCD (LQCD). I metodi LQCD possono descrivere lo spettro delle particelle subatomiche e anche le loro proprietà, come costanti di decadimento. LQCD svolge anche un ruolo cruciale nella comprensione della materia ad alta temperatura e densità simile alla condizione nelle prime fasi dell'universo.

In questo lavoro Padmanath e Nilmani predissero i numeri quantici di questi appena scoperti Ω ⁰ _C barioni altrimenti sconosciuti sperimentalmente. Infatti, Il lavoro di tesi di Padmanath prevedeva le masse di queste particelle quattro anni prima della loro scoperta. Utilizzando metodi all'avanguardia di LQCD e risorse computazionali del Dipartimento di Fisica Teorica e della Indian Lattice Gauge Theory Initiative (ILGTI), hanno eseguito una determinazione precisa e sistematica delle energie e dei numeri quantici per la torre degli stati eccitati di Ω ⁰ _C barioni. I loro risultati previsti vengono confrontati con i risultati sperimentali (vedi tabella). I numeri quantici previsti di queste particelle aiuteranno a comprendere le proprietà di queste particelle che a loro volta aiuteranno a comprendere la natura delle interazioni forti.

Dal 2001 Nilmani e i suoi collaboratori hanno previsto le masse di varie altre particelle subatomiche con diversi contenuti di quark alcune delle quali sono già state scoperte (dopo essere state previste) e molte altre presumibilmente verranno scoperte in esperimenti futuri. Per esempio, la loro previsione della massa di Ξ _cc barione (un barione composto da due quark charm e un quark light) già nel 2001 e ancora nel 2014 è stato confermato dalla scoperta di questa particella il 6 luglio, 2017, dalla collaborazione LHCb.

Nilmani e Padmanath insieme ad altri fisici teorici del TIFR stanno attualmente studiando le proprietà di varie particelle subatomiche, in particolare quelli fatti di quark pesanti, utilizzando simulazioni al computer su larga scala. Usano le strutture computazionali del centro di calcolo ad alte prestazioni di ILGTI presso la Balloon Facility, Hyderabad, che ospita un supercomputer Cray. I risultati del loro lavoro aiuteranno a comprendere la natura delle interazioni forti nell'Universo.