In un tunnel circolare di 17 miglia sotto il confine tra Francia e Svizzera, una collaborazione internazionale di scienziati esegue esperimenti utilizzando lo strumento scientifico più avanzato del mondo, il Large Hadron Collider (LHC). Schiacciando insieme protoni che viaggiano vicini alla velocità della luce, i fisici delle particelle analizzano queste collisioni e apprendono di più sulla composizione fondamentale di tutta la materia nell'universo. Negli ultimi anni, ad esempio, questi esperimenti hanno mostrato dati che hanno portato al Premio Nobel per la scoperta del bosone di Higgs.

Ora, un team di fisici delle particelle sperimentali ad alta energia, tra cui diversi dell'Università del Kansas, ha scoperto possibili prove di una quasiparticella subatomica soprannominata un "odderon" che, fino ad ora, era stata solo teorizzata esistesse. I loro risultati sono attualmente pubblicati sui server di preprint arXiv e CERN in due articoli che sono stati sottoposti a riviste peer-reviewed.

"Lo cerchiamo dagli anni '70, " disse Christophe Royon, Foundation Distinguished Professor nel Dipartimento di Fisica e Astronomia della KU.

Le nuove scoperte riguardano gli adroni (la famiglia di particelle che comprende protoni e neutroni), che sono composti da quark "incollati" insieme a gluoni. Questi particolari esperimenti comportano "collisioni" in cui i protoni rimangono intatti dopo la collisione. In tutti gli esperimenti precedenti, gli scienziati hanno rilevato collisioni che coinvolgono solo un numero pari di gluoni scambiati tra diversi protoni.

"I protoni interagiscono come due grossi camion che trasportano automobili, il tipo che vedi in autostrada, " disse Timothy Raben, un teorico delle particelle alla KU che ha lavorato sull'odderon. "Se quei camion si schiantassero insieme, dopo lo schianto avresti ancora i camion, ma le macchine ora sarebbero fuori, non più a bordo dei camion, e si producono anche nuove auto (l'energia si trasforma in materia)."

Nel nuovo giornale, i ricercatori che utilizzano più energia e osservano le collisioni con maggiore precisione riportano potenziali prove di un numero dispari di gluoni, senza quark, scambiati nelle collisioni.

"Fino ad ora, la maggior parte dei modelli pensava che ci fosse una coppia di gluoni, sempre un numero pari, " ha detto Royon. "Ora misuriamo per la prima volta il maggior numero di eventi e proprietà ea una nuova energia. Abbiamo trovato misurazioni incompatibili con questo modello tradizionale di assunzione di un numero pari di gluoni. È una specie di scoperta che potremmo aver visto per la prima volta, questo strano scambio del numero di gluoni. Possono essere tre, cinque, sette o più gluoni."

I ricercatori della KU hanno spiegato che l'odderon può essere visto come il contributo totale proveniente da tutti i tipi di scambio dispari di gluoni. Rappresenta il coinvolgimento di tutti e tre, cinque, sette o altri numeri dispari di gluoni. Al contrario, il modello più vecchio assume un contributo da tutti i numeri pari di gluoni, quindi include i contributi di due, quattro, sei o più gluoni pari insieme.

All'LHC, il lavoro è stato svolto da un team di oltre 100 fisici provenienti da otto paesi utilizzando l'esperimento TOTEM, vicino a uno dei quattro punti del supercollider in cui i fasci di protoni sono diretti l'uno nell'altro, provocando la collisione di miliardi di coppie di protoni ogni secondo.

I ricercatori della KU hanno affermato che i risultati forniscono nuovi dettagli al modello standard della fisica delle particelle, una teoria fisica ampiamente accettata che spiega come interagiscono i mattoni fondamentali della materia.

"Questo non infrange il Modello Standard, ma ci sono regioni molto opache del Modello Standard, e quest'opera illumina una di quelle regioni opache, " disse Raben.

I fisici hanno immaginato l'esistenza dell'odderon per molti decenni, ma fino a quando LHC ha iniziato a funzionare alle sue massime energie nel 2015, l'odderon rimase mera congettura. I dati raccolti e presentati nel nuovo documento sono stati raccolti a 13 teraelettronvolt (TeV), gli scienziati più veloci che siano mai stati in grado di far collidere protoni.

"Queste idee risalgono agli anni '70, ma anche in quel momento divenne subito evidente che non eravamo vicini tecnologicamente a poter vedere l'odderon, quindi mentre ci sono diversi decenni di previsioni, l'odderon non è stato visto, " ha detto Raben.

Secondo i ricercatori della KU, l'esperimento TOTEM è stato progettato per rilevare i protoni che non vengono distrutti dalla collisione ma sono solo leggermente deviati. Così, i rivelatori di particelle TOTEM sono posti a pochi millimetri dai fasci in uscita di protoni che non hanno interagito. Confrontando i risultati attuali con misurazioni effettuate a energie inferiori utilizzando acceleratori di particelle meno potenti, TOTEM è stato in grado di effettuare la misurazione più precisa di sempre.

I coautori hanno confrontato il rapporto delle firme da collisioni a varie energie per stabilire il "parametro rho, "un provvedimento che ha contribuito a costruire prove per la possibile presenza di odderons.

"Se vai a energie davvero alte, ci sono firme del comportamento dei fasci fatti scontrare ad alta energia che possono essere misurati, " ha detto Raben. "Ma ci sono diversi tipi di firme di crescita ad alta energia. Fino ad ora, abbiamo dovuto pensare solo a un tipo di comportamento di crescita ad alta energia. Essenzialmente queste quantità potrebbero cambiare in funzione della quantità di energia. Il parametro rho sta essenzialmente misurando il rapporto tra una firma e l'altra di questa crescita ad alta energia".

Tale misura del parametro rho è dovuta al lavoro condiviso, collaborazione e contributi chiave, sull'hardware dei rivelatori ed in particolare sull'analisi fisica, da diversi dottori di ricerca e fisici senior.

A parte Royon, Il personale KU coinvolto nelle nuove scoperte TOTEM include il ricercatore post-dottorato Nicola Minafra, che quest'anno ha ottenuto un premio CMS, e dottorandi Cristian Baldenegro Barrera, Justin Williams, Tommaso Isidori e Cole Lindsey. Altri ricercatori KU che partecipano al lavoro sono Laurent Forthomme, un ricercatore post-dottorato anche lui con sede al CERN e che lavora agli esperimenti CMS/TOTEM, e il dottorando Federico Deganutti, che lavora con Raben sulla teoria.

"I nostri studenti provengono da molte nazioni diverse, " ha detto Royon. "KU è un lavoro alla frontiera delle cose nuove, e ci aspettiamo grandi risultati nei prossimi mesi o anni. Altri sforzi di ricerca includono la ricerca di una dimensione extra nell'universo, ma per ora stiamo solo guardando i dati".

Royon ha affermato che i rilevatori a temporizzazione rapidi dell'esperimento TOTEM utilizzati per misurare il tempo di volo dei protoni nell'LHC potrebbero vedere molte applicazioni in medicina, fisica spaziale con la NASA per misurare i raggi cosmici, e desalinizzazione dell'acqua di mare, un concetto che il fisico KU sta esplorando con Mark Shiflett, un Distinguished Professor Foundation nella KU School of Engineering.