L'interazione forte è una delle forze fondamentali della natura, che lega i quark agli adroni come il protone e il neutrone, i mattoni degli atomi. Secondo il modello a quark, gli adroni possono essere formati da due o tre quark, chiamati rispettivamente mesoni e barioni, e collettivamente indicati come adroni convenzionali. Il modello a quark consente anche l'esistenza dei cosiddetti adroni esotici, composto da quattro (tetraquark), cinque (pentaquark) o più quark. Ci si aspetta un ricco spettro di adroni esotici proprio come per quelli convenzionali. Però, nessun segnale univoco di adroni esotici è stato osservato fino al 2003, quando lo stato X (3872) fu scoperto dall'esperimento di Belle. Negli anni successivi, furono scoperti alcuni stati più esotici. La spiegazione delle loro proprietà richiede l'esistenza di quattro quark costituenti. L'identificazione degli stati di pentaquark è ancora più difficile, e i primi candidati sono stati osservati dall'esperimento LHCb nel 2015. Tutti questi stati noti contengono al massimo due quark pesanti:il quark bellezza o charm.

Recentemente, studiando la distribuzione di massa invariante di due mesoni J/ψ prodotti in collisioni protone-protone a energie del centro di massa fino a 13 TeV, la collaborazione LHCb ha osservato due strutture. La struttura più stretta è descritta come uno stato di massa dell'adrone di circa 6900 MeV/c ² , indicato come X (6900). Poiché il mesone J/ψ contiene un charm (c) e un quark anticharm (bar{c}), il nuovo stato suggerisce un contenuto minimo di quark di ccbar{c}bar{c}, rendendolo un candidato per stati tetraquark a quattro fascini. L'altra struttura, essendo ampio e vicino al doppio della massa a riposo J/ψ, può essere dovuto a un altro tetraquark di larghezza maggiore o a una combinazione di diversi stati di tetraquark sovrapposti.

"È molto eccitante vedere la prima prova sperimentale di un tetraquark a quattro fascini. La composizione unica del nuovo stato lo rende un laboratorio ideale per ottenere informazioni sulla forte interazione all'interno degli adroni, " dice il fisico di LHCb che lavora alla sezione INFN di Firenze, Liupan An.

Mentre la cromodinamica quantistica (QCD) è la teoria comunemente usata per descrivere l'interazione forte, la comprensione della struttura interna di un adrone non è ancora possibile dai calcoli del primo principio. Vengono introdotti modelli che approssimano la QCD per spiegare il meccanismo di legame dei quark negli adroni. Nel quadro molecolare, uno stato esotico è formato da due adroni convenzionali debolmente legati come il deuterone. La struttura molecolare è attualmente l'interpretazione preferita dei pentaquark stretti osservati da LHCb e dallo stato X(3872).

Però, ci si aspetta che gli stati adronici formati esclusivamente da quark pesanti siano strettamente legati; Per esempio, un tetraquark a quattro fascini è generalmente considerato formato da un cc-diquark e abar{c}bar{c}-antidiquark che si attraggono. Il modello cc-diquark ha predetto con successo la massa del barione Ξcc++ osservato da LHCb nel 2017. È anche possibile ridistribuire gli adroni noti attraverso l'interazione forte per creare strutture che assomiglino a uno stato di adroni. La natura degli stati a quattro fascini osservati di recente deve ancora essere determinata anche se si preferisce un'interpretazione tetraquark compatta.

"L'osservazione di LHCb apre una nuova finestra per gli studi sulla spettroscopia adroni multiquark. Ulteriori studi da fisici sia sperimentali che teorici forniranno l'opportunità di comprendere la natura dello stato a quattro fascini, "dice Yanxi Zhang, lavorando all'esperimento LHCb all'Università di Pechino.

"Se l'interpretazione dei quattro quark pesanti è corretta, uno spettro completo di questi stati strettamente legati dovrebbe essere scoperto dai dati che LHCb sarà in grado di raccogliere nel prossimo futuro. Misure delle masse e delle larghezze di questi stati, che può essere previsto in QCD con precisione relativamente elevata, fornirà un test di sondaggio della nostra comprensione delle interazioni fondamentali tra adroni, aggiunge Giacomo Graziani dell'INFN Firenze.

LHCb è uno dei quattro grandi esperimenti situati presso il più potente acceleratore di particelle del mondo, il Large Hadron Collider (LHC) del CERN. L'esperimento LHCb è dedicato a misurazioni di precisione di particelle contenenti quark charm o beauty, con l'obiettivo di esplorare il puzzle dell'asimmetria materia-antimateria, alla ricerca di prove indirette di nuova fisica, e sondare l'interazione forte. La collaborazione è composta da più di 1400 fisici e ingegneri provenienti da tutto il mondo.

"Questo è un importante passo avanti nell'esplorazione della struttura interna e della dinamica degli adroni". ha detto il prof. Yuanning Gao, leader del gruppo cinese LHCb, "L'esperimento LHCb ha nuovamente dimostrato la sua capacità nella spettroscopia dei sapori pesanti, e continuerà a contribuire alla comprensione della forte interazione."

La forte interazione continua a sorprenderci con nuove strutture e nuovi fenomeni dopo diversi decenni di ricerche e sicuramente lo farà di nuovo in futuro.