La collaborazione LHCb al CERN ha annunciato la scoperta di una nuova particella esotica:un cosiddetto "tetraquark". Il documento di oltre 800 autori deve ancora essere valutato da altri scienziati in un processo chiamato "revisione paritaria", ma è stato presentato a un seminario. Soddisfa anche la consueta soglia statistica per rivendicare la scoperta di una nuova particella.

La scoperta segna un importante passo avanti in una ricerca di quasi 20 anni, effettuate nei laboratori di fisica delle particelle di tutto il mondo.

Per capire cos'è un tetraquark e perché la scoperta è importante, dobbiamo tornare indietro nel tempo fino al 1964, quando la fisica delle particelle era nel bel mezzo di una rivoluzione. La Beatlemania era appena esplosa, la guerra del Vietnam infuriava e due giovani radioastronomi del New Jersey avevano appena scoperto la prova più forte mai vista per la teoria del Big Bang.

Dall'altra parte degli Stati Uniti, al California Institute of Technology, e dall'altra parte dell'Atlantico, al CERN in Svizzera, due fisici delle particelle stavano pubblicando due articoli indipendenti sullo stesso argomento. Entrambi riguardavano come dare un senso all'enorme numero di nuove particelle che erano state scoperte negli ultimi due decenni.

Molti fisici hanno faticato ad accettare che nell'universo potessero esistere così tante particelle elementari, in quello che era diventato noto come lo "zoo delle particelle". George Zweig del Caltech e Murray Gell-Mann del CERN avevano trovato la stessa soluzione. E se tutte queste diverse particelle fossero davvero fatte di più piccole, blocchi di costruzione sconosciuti, allo stesso modo in cui i cento e dispari elementi della tavola periodica sono fatti di protoni, neutroni ed elettroni? Zweig ha chiamato questi elementi costitutivi "assi", mentre Gell-Mann scelse il termine che usiamo ancora oggi:"quark".

Ora sappiamo che ci sono sei diversi tipi di quark:up, fuori uso, fascino, strano, superiore, parte inferiore. Queste particelle hanno anche rispettivi compagni di antimateria con carica opposta, che possono legarsi tra loro secondo semplici regole basate su simmetrie. Una particella composta da un quark e un antiquark è chiamata "mesone"; mentre tre quark legati insieme formano "barioni". I familiari protoni e neutroni che compongono il nucleo atomico sono esempi di barioni.

Questo schema di classificazione descriveva magnificamente lo zoo delle particelle degli anni '60. Però, anche nella sua carta originale, Gell-Mann si rese conto che sarebbero state possibili altre combinazioni di quark. Per esempio, due quark e due antiquark potrebbero unirsi per formare un "tetraquark", mentre quattro quark e un antiquark farebbero un "pentaquark".

Particelle esotiche

Avanti veloce al 2003, quando l'esperimento Belle al laboratorio KEK in Giappone riportò l'osservazione di un nuovo mesone, chiamato X(3872), che mostrava proprietà "esotiche" molto diverse dai mesoni ordinari.

Negli anni successivi, furono scoperte diverse nuove particelle esotiche, ei fisici iniziarono a rendersi conto che la maggior parte di queste particelle poteva essere spiegata con successo solo se fossero tetraquark composti da quattro quark invece di due. Quindi, nel 2015, l'esperimento LHCb al CERN ha scoperto le prime particelle di pentaquark composte da cinque quark.

Tutti i tetraquark e pentaquark che sono stati scoperti finora contengono due quark charm, che sono relativamente pesanti, e due o tre quark leggeri—up, giù o strano. Questa particolare configurazione è infatti la più facile da scoprire negli esperimenti.

Ma l'ultimo tetraquark scoperto da LHCb, che è stato soprannominato X (6900), è composto da quattro quark charm. Prodotto in collisioni di protoni ad alta energia al Large Hadron Collider, il nuovo tetraquark è stato osservato tramite il suo decadimento in coppie di particelle ben note chiamate mesoni J/psi, ciascuno composto da un quark charm e da un antiquark charm. Questo lo rende particolarmente interessante in quanto non solo è composto interamente da quark pesanti, ma anche quattro quark dello stesso tipo, il che lo rende un esemplare unico per testare la nostra comprensione di come i quark si legano tra loro.

Per adesso, ci sono due diversi modelli che potrebbero spiegare come i quark si legano tra loro:potrebbe essere che siano fortemente legati, creando quello che chiamiamo tetraquark compatto. Oppure potrebbe essere che i quark siano disposti a formare due mesoni, che sono attaccati insieme in modo lasco in una "molecola".

Le molecole ordinarie sono costituite da atomi legati insieme dalla forza elettromagnetica, che agisce tra nuclei carichi positivamente ed elettroni carichi negativamente. Ma i quark in un mesone o barione sono collegati tramite una forza diversa, la "forza forte". È davvero affascinante che atomi e quark, seguendo regole molto diverse, possono entrambi formare oggetti complessi molto simili.

La nuova particella sembra essere più coerente con l'essere un tetraquark compatto piuttosto che una molecola a due mesoni, che era la migliore spiegazione per le scoperte precedenti. Questo lo rende insolito, in quanto consentirà ai fisici di studiare in dettaglio questo nuovo meccanismo di legame. Implica anche l'esistenza di altri tetraquark compatti pesanti.

Finestra sul microcosmo

La forza forte che opera tra i quark obbedisce a regole molto complicate, così complicate, infatti, che di solito l'unico modo per calcolarne gli effetti è usare approssimazioni e supercomputer.

La natura unica di X(6900) aiuterà a capire come migliorare l'accuratezza di queste approssimazioni, così che in futuro potremo descriverne altri, meccanismi più complessi in fisica che oggi non sono alla nostra portata.

Dalla scoperta della X(3872), lo studio delle particelle esotiche ha prosperato, con centinaia di fisici teorici e sperimentali che lavorano insieme per far luce su questo nuovo entusiasmante campo. La scoperta del nuovo tetraquark è un enorme balzo in avanti, ed è un'indicazione che ci sono ancora molte nuove particelle esotiche là fuori, aspettando che qualcuno le sveli.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.