Nel corso del 20° secolo, i fisici hanno scoperto numerose particelle elementari. La famiglia più numerosa di queste particelle sono i cosiddetti adroni, particelle subatomiche che prendono parte a interazioni forti.

Questa ampia famiglia di particelle contiene numerosi sottoinsiemi di particelle con proprietà simili. Nel 1964, M. Gell-Mann e G. Zweig introdussero una rinomata teoria nota come "Modello di Quark", che delineava chiaramente la struttura interna degli adroni.

Il modello dei quark suggerisce che gli adroni siano costituiti da tre quark (barioni) o da coppie quark-antiquark (mesoni). Sebbene molti adroni scoperti rientrino in una di queste due categorie, il modello ipotizza anche l'esistenza di adroni con strutture più complesse, come pentaquark (cioè quattro quark e un antiquark) e tetraquark (cioè due coppie quark-antiquark).

Molti studi negli anni '70 hanno teorizzato i possibili meccanismi alla base della formazione di queste complesse strutture adroniche. Tutti gli adroni scoperti fino al 2003 avevano strutture che corrispondono a uno dei due tipi principali descritti dal Quark Model, tuttavia alcune delle particelle osservate dopo quella data sono difficili da spiegare usando il modello.

L'esperimento LHCb è un rivelatore del Large Hadron Collider del CERN volto principalmente a svelare le differenze tra materia e antimateria studiando un tipo specifico di particella, noto come "quark della bellezza". La LHCb Collaboration, il folto gruppo di ricercatori coinvolti nell'esperimento, ha recentemente osservato un tetraquark esotico con una struttura insolita, contenente due quark charm.

"La scoperta del quark heavy charm nel 1974 (osservazione dei mesoni J/ψ nel 1974, spesso chiamata 'rivoluzione di novembre') e del quark beauty ancora più pesante nel 1977, ha portato al riconoscimento che tetraquark costituiti da due quark pesanti e due Gli antiquark potrebbero avere proprietà interessanti e insolite", ha detto a Phys.org Vanya Belyaev, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio. "Tuttavia, le strutture sperimentali adatte alla ricerca e allo studio di tali oggetti 'doppi pesanti' sono apparse solo nel 21° secolo, con l'inizio del Large Hadron Collider al CERN."

Al collisore LHC, i fisici possono studiare le collisioni tra protoni a energie molto elevate, che promuovono la produzione di numerose particelle pesanti e doppie pesanti. Nel 2011 e 2012, la collaborazione LHCb ha analizzato una piccola frazione dei dati raccolti all'LHC e ha scoperto che la probabilità della produzione simultanea di due coppie di quark charm-anticharm a queste alte energie era tutt'altro che bassa, suggerendo che il collisore potrebbe consentire l'osservazione di doppi oggetti pesanti.

"Con più dati, nel 2017 la collaborazione LHCb ha riportato un'osservazione del barione a doppio fascino Ξ_cc ⁺⁺ costituito dai due quark charm e u-quark leggero", ha spiegato Belyaev. "Con questa osservazione è diventato chiaro che se esistono tetraquark double charm, la loro osservazione sarebbe solo una questione di tempo."

A seguito dell'osservazione di LHCb del barione a doppio fascino Ξ_cc ⁺⁺ , M.Karliner e J.Rosner sono stati in grado di utilizzare le sue proprietà misurate per prevedere con precisione le proprietà che avrebbe un ipotetico tetraquark. Un tale tetraquark consisterebbe in due quark charm, un u-antiquark e un d-antiquark. La particella teorica è stata denominata T_cc ⁺ .

"Le proprietà previste del T_cc ⁺ tetraquark implica che la particella si mostrerà come un picco stretto nella distribuzione di massa per la coppia di mesoni incantati D ^*+ e D ⁰ , dove D ^*+ e D ⁰ sono mesoni charmed convenzionali costituiti da (charm quark e anti-d-quark) e (charm quark e anti-u-quark)", ha detto Belyaev. "È interessante notare che la massa prevista del T_{cc ⁺ tetraquark è molto vicino alla somma delle masse del D ^*+ e D ⁰ mesoni, il che significa anche che se la massa sarà solo dell'1% inferiore al valore previsto, le proprietà del Tcc ⁺ sarà molto diverso e non sarà visibile nella D ^*+ e D ⁰ spettro di massa. Se la massa sarà solo del 5% più alta, il picco sarà ampio (o anche molto ampio) e sarà molto difficile, quasi impossibile, da osservare sperimentalmente."}

In sostanza, il lavoro di M. Karliner e J. Rosner ha individuato le condizioni esatte che sarebbero adatte per osservare l'ipotetico T_cc ⁺ tetraquark. Le loro previsioni sono state in definitiva ciò che ha guidato il recente lavoro della collaborazione con LHCb.

Nel loro studio, la collaborazione ha studiato attentamente lo spettro di massa del D ^*+ e D ⁰ coppie di mesoni, utilizzando un set di dati contenente tutti i dati accumulati al collisore LHC dal 2011 al 2018. Nella loro analisi precedente, condotta nel 2012, i ricercatori hanno utilizzato solo il 4% dei dati oggi disponibili per studiare la regione delle masse relativamente grandi di D ^*+ e D ⁰ coppie.

Nella loro nuova analisi, si sono concentrati specificamente sulla regione delle masse più vicina alla somma della D ^*+ e D ⁰ masse di mesoni. In questa regione hanno osservato oltre cento segnali T_cc ⁺ tetraquarks che formano un picco sorprendentemente stretto molto vicino alla somma del D ^*+ e D ⁰ masse di mesoni con una significatività statistica schiacciante.

"La significatività statistica che abbiamo osservato è così alta che esclude totalmente che il segnale osservato sia una fluttuazione statistica", ha spiegato Belyaev. "Dalla D ^*+ meson è costituito da un quark charm e un quark anti-d e D ⁰ meson è costituito da charm quark e anti-u-quark, fissa il contenuto di quark minimo di quello osservato come due quark charm, anti-d-quar e anti-u-quark."

La collaborazione con LHCb ha quindi eseguito numerosi test per convalidare i risultati. Tutti questi test hanno confermato che il segnale che hanno osservato era associato a un T_cc ⁺ tetraquark. Infine, hanno misurato la massa del T_cc ⁺ tetraquark e la larghezza del suo picco.

"Secondo le leggi della meccanica quantistica, la larghezza del picco è correlata alla vita inversa della particella e abbiamo scoperto che la larghezza corrisponde a una vita molto lunga, una delle più grandi per le particelle che decade a causa di forti interazioni e il più lungo tra tutti gli adroni esotici trovati finora", ha detto Belyaev. "In un certo senso, T_cc ⁺ è Matusalemme degli adroni esotici."

I ricercatori hanno recentemente condotto uno studio di follow-up, presente in Nature Communications , esplorando ulteriormente le proprietà del T_cc ⁺ particella. In questo documento, hanno mostrato che il modello di decadimento è coerente con T_cc ⁺ →(D ^*+ →D ⁰ π ⁺ )D ⁰ . Hanno anche verificato la distribuzione della massa di D ⁰ D ⁰ e D ⁺ D ⁰ coppie e ha scoperto che i miglioramenti in questi spettri sono molto coerenti con i decadimenti T_cc ⁺ →(D ^*+ →D ⁰ π ⁺ )D ⁰ con π ⁺ mancanti mesone e T_cc ⁺ →(D ^*+ →D ⁺ π ⁰ /γ)D ⁰ con π ⁰ mancante /γ.

"Non abbiamo ancora misurato i numeri quantici del T_cc ⁺ particelle direttamente, ma abbiamo offerto solide argomentazioni a sostegno dello spin totale J e della parità P della particella osservata, che sono i numeri quantici più importanti, sono J ^P =1 ⁺ , in perfetto accordo con le aspettative", ha detto Belyaev. "Per sondare un altro importante numero quantico, l'isospin, abbiamo studiato gli spettri di massa per il D ⁰ D ⁰ , D ⁺ D ⁰ , D ⁺ D ⁺ , D ⁺ D ^*+ coppie, alla ricerca di possibili contributi dagli ipotetici partner isospin. Non hanno trovato segni che suggeriscano che l'isospin del T_cc appena osservato ⁺ lo stato è 0, in accordo con le previsioni."

Il T_cc ⁺ tetraquark osservato dalla collaborazione LHCb potrebbe avere almeno due diverse strutture interne. Ad esempio, potrebbe avere una "struttura di tipo molecolare", in cui due quark charm sono separati da una grande distanza, paragonabile alle dimensioni del nucleo atomico, una "struttura compatta", in cui la distanza tra i due quark charm è significativamente più piccolo o una combinazione dei due.

Nel loro recente documento di follow-up, il team ha utilizzato un modello sofisticato per determinare quale potrebbe essere questa struttura e ha misurato le proprietà fondamentali del T_cc ⁺ stato, inclusa la lunghezza di dispersione, la portata effettiva e la posizione dei poli, che sono importanti quando si cerca di determinare la struttura interna di una particella. I valori misurati dai ricercatori sono compatibili con una struttura di tipo molecolare, ma questo deve ancora essere confermato.

L'osservazione della collaborazione LHCb del T_cc ⁺ tetraquark è un contributo significativo al campo della fisica delle particelle e delle alte energie. In effetti, ha già acceso importanti discussioni teoriche sulla natura di T_cc ⁺ , relativi stati di tipo molecolare, come l'enigmatico X(3872), e il problema generale con l'esistenza dei "tetraquarks compatti".

Nei suoi studi futuri, la collaborazione prevede di tentare di determinare direttamente i numeri quantici del nuovo stato, poiché finora ne hanno ottenuto solo prove forti, ma indirette.

"È molto importante comprendere il meccanismo di produzione del T_cc ⁺ stato in collisione protone-protone", ha aggiunto Belyaev. "Attualmente abbiamo alcune osservazioni controintuitive:alcune distribuzioni, come la quantità di moto trasversale e la molteplicità di tracce, sono davvero sconcertanti e sono necessari più dati per la risoluzione. Sarà molto interessante confrontare la produzione del T_cc ⁺ e Ξ_cc ⁺⁺ particelle:qui ci si aspetta un certo livello di somiglianza, ma anche per confrontare le proprietà, comprese le proprietà di produzione, del T_cc ⁺⁺ particella e un'enigmatica particella X(3872). + Esplora ulteriormente

LHCb scopre tre nuove particelle esotiche:il pentaquark e la prima coppia di tetraquark in assoluto

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