Quante nuove particelle ha scoperto LHC? La scoperta più conosciuta è ovviamente quella del bosone di Higgs. Meno noto è il fatto che, negli ultimi 10 anni, gli esperimenti di LHC hanno anche trovato più di 50 nuove particelle chiamate adroni. Coincidentalmente, il numero 50 compare due volte nel contesto degli adroni, poiché il 2021 segna il 50° anniversario dei collisori di adroni:il 27 gennaio 1971, due fasci di protoni si sono scontrati per la prima volta nell'acceleratore Intersecting Storage Rings del CERN, rendendolo il primo acceleratore della storia a produrre collisioni tra due fasci di adroni controrotanti.

Allora, quali sono questi nuovi adroni, quale numero 59 in totale? Cominciamo dall'inizio:gli adroni non sono particelle elementari:i fisici lo sanno dal 1964, quando Murray Gell-Mann e George Zweig proposero indipendentemente quello che oggi è conosciuto come il modello a quark. Questo modello ha stabilito gli adroni come particelle composite costituite da nuovi tipi di particelle elementari denominate quark. Ma, allo stesso modo in cui i ricercatori stanno ancora scoprendo nuovi isotopi più di 150 anni dopo che Dmitri Mendeleev ha stabilito la tavola periodica, gli studi di possibili stati compositi formati dai quark sono ancora un campo attivo nella fisica delle particelle.

La ragione di ciò risiede nella cromodinamica quantistica, o QCD, la teoria che descrive l'interazione forte che tiene insieme i quark all'interno degli adroni. Questa interazione ha diverse caratteristiche curiose, compreso il fatto che la forza dell'interazione non diminuisce con la distanza, portando a una proprietà chiamata confinamento del colore, che vieta l'esistenza di quark liberi al di fuori degli adroni. Queste caratteristiche rendono questa teoria matematicamente molto impegnativa; infatti, il confinamento del colore stesso non è stato dimostrato analiticamente fino ad oggi. E non abbiamo ancora modo di prevedere esattamente quali combinazioni di quark possono formare adroni.

Cosa sappiamo allora degli adroni? Già negli anni '60, esistevano già più di 100 varietà conosciute di adroni, che sono stati scoperti in esperimenti con acceleratori e raggi cosmici. Il modello a quark ha permesso ai fisici di descrivere l'intero "zoo" come diversi stati compositi di soli tre diversi quark:up, giù e strano. Tutti gli adroni conosciuti potrebbero essere descritti come costituiti da tre quark (che formano barioni) o come coppie quark-antiquark (che formano mesoni). Ma la teoria prevedeva anche altri possibili accordi di quark. Già nel documento originale di Gell-Mann sui quark del 1964, la nozione di particelle contenenti più di tre quark appariva come una possibilità. Oggi sappiamo che tali particelle esistono, ma ci vollero diversi decenni per confermare negli esperimenti i primi adroni a quattro e cinque quark, o tetraquark e pentaquark.

Un elenco completo dei 59 nuovi adroni trovati all'LHC è mostrato nell'immagine sottostante. Di queste particelle, alcuni sono pentaquark, alcuni sono tetraquark e alcuni sono nuovi stati di energia superiore (eccitati) di barioni e mesoni. La scoperta di queste nuove particelle, insieme alle misurazioni delle loro proprietà, continua a fornire informazioni importanti per testare i limiti del modello a quark. Ciò a sua volta consente ai ricercatori di approfondire la loro comprensione della forte interazione, verificare le previsioni teoriche e mettere a punto i modelli. Ciò è particolarmente importante per la ricerca svolta al Large Hadron Collider, poiché l'interazione forte è responsabile della stragrande maggioranza di ciò che accade quando gli adroni si scontrano. Quanto meglio possiamo capire la forte interazione, più precisamente possiamo modellare queste collisioni e maggiori sono le nostre possibilità di vedere piccole deviazioni dalle aspettative che potrebbero suggerire possibili nuovi fenomeni fisici.

Le scoperte sugli adroni dagli esperimenti di LHC continuano ad arrivare, principalmente da LHCb, particolarmente adatto allo studio di particelle contenenti quark pesanti. Il primo adrone scoperto all'LHC, b(3P), è stato scoperto da ATLAS, e i più recenti includono un nuovo barione strano di bellezza eccitato osservato da CMS e quattro tetraquark rilevati da LHCb.