Oggi, l'esperimento LHCb al CERN ha presentato una misurazione delle masse di due particolari particelle con una precisione senza precedenti in un collisore di adroni per questo tipo di particelle. Fino ad ora, lo studio preciso di queste particelle "charmonium", inestimabile fonte di intuizioni nel mondo subatomico, richiesto esperimenti dedicati da costruire.

"Grazie a questo risultato, la collaborazione LHCb apre una nuova strada alle misurazioni di precisione delle particelle di charmonio nei collisori di adroni, che era inaspettato dalla comunità fisica", dice Giovanni Passaleva, Portavoce della collaborazione LHCb. Infatti, questo tipo di misurazione sembrava impossibile fino a poco tempo fa.

Le due particelle, c1 e c2, sono stati eccitati di una particella più nota chiamata J/ψ. Uno stato eccitato è una particella che ha un'energia interna maggiore, vale a dire una massa, rispetto alla configurazione minima assoluta consentita. Il mesone J/ψ e i suoi stati eccitati, chiamato anche charmonium, sono formati da un quark charm e dal suo corrispondente di antimateria, un fascino antiquark, legati insieme dalla forza nucleare forte. L'osservazione rivoluzionaria di J/ψ nel novembre 1974 ha innescato rapidi cambiamenti nella fisica delle alte energie dell'epoca, e valse ai suoi scopritori il Premio Nobel per la fisica. Proprio come gli atomi ordinari, un mesone può essere osservato in stati eccitati in cui i due quark si muovono l'uno intorno all'altro in diverse configurazioni, e a causa della famosa equivalenza di energia e massa di Einstein, dopo un breve lasso di tempo possono scomparire e trasformarsi in altre particelle di massa inferiore. L'esperimento LHCb studiato, per la prima volta, la particolare trasformazione dei mesoni χc1 e χc2 che decadono in una particella J/ψ e una coppia di muoni al fine di determinarne con precisione alcune proprietà.

Precedenti studi di χc1 e χc2 in collisori di particelle hanno sfruttato un altro tipo di decadimento di queste particelle, caratterizzato da un fotone nello stato finale invece di una coppia di muoni. Però, misurare l'energia di un fotone è sperimentalmente molto impegnativo nel duro ambiente di un collisore di adroni. A causa delle capacità specializzate del rivelatore LHCb nella misurazione delle traiettorie e delle proprietà di particelle cariche come i muoni, e sfruttando il grande set di dati accumulato durante la prima e la seconda esecuzione di LHC fino alla fine del 2016, è stato possibile osservare le due particelle eccitate con un'ottima risoluzione di massa. Sfruttando questo nuovo decadimento con due muoni nello stato finale, le nuove misurazioni delle masse e delle larghezze naturali χc1 e χc2 hanno una precisione simile e sono in buon accordo con quelle ottenute in precedenti esperimenti dedicati che sono stati costruiti con uno specifico approccio sperimentale molto diverso da quello in uso ai collisori.

"Non solo non siamo più obbligati a ricorrere a esperimenti appositamente costruiti per tali studi, " continua Passaleva, "ma anche, nel futuro prossimo, potremo pensare di applicare un simile approccio per lo studio di una simile classe di particelle, noto come bottomonium, dove i quark charm vengono sostituiti dai quark beauty." Queste nuove misurazioni, insieme a futuri aggiornamenti con set di dati più grandi di collisioni accumulati all'LHC, consentirà nuovi, severi test delle previsioni della cromodinamica quantistica (QCD), che è la teoria che descrive il comportamento della forza nucleare forte, contribuendo alla sfida di comprendere appieno le caratteristiche sfuggenti di questa fondamentale interazione della natura.