Uno studio internazionale condotto dall'Università di Bonn ha trovato prove di un effetto a lungo cercato nei dati degli acceleratori. La cosiddetta "singolarità del triangolo" descrive come le particelle possono cambiare la loro identità scambiando quark, imitando così una nuova particella. Il meccanismo fornisce anche nuove intuizioni su un mistero che ha a lungo sconcertato i fisici delle particelle:protoni, i neutroni e molte altre particelle sono molto più pesanti di quanto ci si aspetterebbe. Ciò è dovuto alle peculiarità dell'interazione forte che tiene insieme i quark. La singolarità del triangolo potrebbe aiutare a comprendere meglio queste proprietà. La pubblicazione è ora disponibile in Lettere di revisione fisica .

Nel loro studio, i ricercatori hanno analizzato i dati dell'esperimento COMPASS presso l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare CERN di Ginevra. Là, alcune particelle chiamate pioni vengono portate a velocità estremamente elevate e sparate agli atomi di idrogeno.

I pioni sono costituiti da due elementi costitutivi, un quark e un antiquark. Questi sono tenuti insieme dalla forte interazione, proprio come due magneti i cui poli si attraggono. Quando i magneti vengono allontanati l'uno dall'altro, l'attrazione tra di loro diminuisce successivamente. Con l'interazione forte è diverso:aumenta con la distanza, simile alla forza di trazione di un elastico in tensione.

Però, l'impatto del pione sul nucleo di idrogeno è così forte che questo elastico si rompe. L'"energia di stiramento" immagazzinata in esso viene rilasciata tutta in una volta. "Questo si converte in materia, che crea nuove particelle, " spiega il prof. Dr. Bernhard Ketzer dell'Istituto Helmholtz per le radiazioni e la fisica nucleare dell'Università di Bonn. "Esperimenti come questi ci forniscono quindi importanti informazioni sull'interazione forte".

Segnale insolito

Nel 2015, I rilevatori COMPASS hanno registrato un segnale insolito dopo un simile crash test. Sembrava indicare che la collisione avesse creato una nuova particella esotica per poche frazioni di secondo. "Le particelle normalmente consistono di tre quark:questo include i protoni e i neutroni, per esempio—o, come i pioni, di un quark e di un antiquark, " dice Ketzer. "Questo nuovo stato intermedio di breve durata, però, sembrava consistere di quattro quark."

Insieme al suo gruppo di ricerca e ai colleghi dell'Università tecnica di Monaco, il fisico ha ora sottoposto i dati a una nuova analisi. "Siamo riusciti a dimostrare che il segnale può essere spiegato anche in modo diverso, questo è, dalla suddetta singolarità triangolare, " sottolinea. Questo meccanismo è stato postulato già negli anni '50 dal fisico russo Lev Davidovich Landau, ma non è stato ancora dimostrato direttamente.

Secondo questo, la collisione di particelle non ha prodotto affatto un tetraquark, ma un intermedio quark-antiquark completamente normale. Questo, però, disintegrato di nuovo subito, ma in un modo insolito:"Le particelle coinvolte hanno scambiato quark e hanno cambiato le loro identità nel processo, "dice Ketzer, che è anche membro dell'Area di Ricerca Transdisciplinare "Building Blocks of Matter and Fundamental Interactions" (TRA Matter). "Il segnale risultante appare esattamente come quello di un tetraquark con una massa diversa". Questa è la prima volta che viene rilevata una tale singolarità triangolare che imita direttamente una nuova particella in questo intervallo di massa. Il risultato è interessante anche perché consente nuove intuizioni sulla natura dell'interazione forte.

Solo una piccola frazione della massa del protone può essere spiegata dal meccanismo di Higgs

protoni, neutroni, pioni e altre particelle (chiamate adroni) hanno massa. Ottengono questo dal cosiddetto meccanismo di Higgs, ma ovviamente non esclusivamente:un protone ha circa 20 volte più massa di quella che può essere spiegata dal solo meccanismo di Higgs. "La parte molto più grande della massa degli adroni è dovuta alla forte interazione, " spiega Ketzer. "Esattamente come si formano le masse di adroni, però, non è ancora chiaro. I nostri dati ci aiutano a comprendere meglio le proprietà dell'interazione forte, e forse i modi in cui contribuisce alla massa delle particelle."