Per oltre un decennio, la CMS Collaboration, un ampio team di ricercatori con sede in diversi istituti in tutto il mondo, ha analizzato i dati raccolti presso il Compact Muon Solenoid, un rilevatore di particelle generico presso il Large Hadron Collider (LHC) del CERN. Questa collaborazione scientifica internazionale su larga scala ha cercato di osservare vari fenomeni fisici sfuggenti, tra cui particelle esotiche e candidati alla materia oscura.
In un recente articolo, pubblicato su Physical Review Letters , la Collaborazione CMS ha riportato tre strutture esotiche di quark completamente pesanti. Queste strutture, che sembrano far parte di una famiglia comune, potrebbero aprire nuove strade interessanti per la ricerca sulla fisica delle particelle.
"Praticamente tutte le cose che sperimentiamo nella nostra vita quotidiana sono costituite da tre particelle:elettroni, protoni e neutroni", ha detto a Phys.org il Prof. Kai Yi della Nanjing Normal University e della Tsinghua University, coautore dell'articolo. . "Gli elettroni, per quanto ne sappiamo, sono fondamentali, ma gli altri due sono costituiti da triplette di cose chiamate quark. Il modello delle particelle a quark è stato proposto nel 1964, e all'inizio degli anni '70 c'erano prove convincenti della sua correttezza."
Il modello introdotto nel 1964 descrive i quark come particelle strettamente legate, così fortemente connesse che non possono esistere da sole e sono invece osservate solo come triplette di quark legate (qqq) o quark-antiquark (qq - ) doppietti. I fisici hanno identificato un vasto numero di questi sistemi di quark strettamente legati, noti anche come "adroni".
"Esiste un numero enorme di questi sistemi di quark, ma a parte il protone e il neutrone, hanno solo un'esistenza fugace", ha spiegato il prof. Yi. "La teoria dei quark del 1964 aveva una scappatoia, cioè che forse, solo forse, quartetti e quintetti di quark avrebbero potuto anche formare particelle, chiamate adroni "esotici". I fisici hanno giocato con questa possibilità per decenni, ma era una sorta di frontiera attività."
Per molto tempo, l’osservazione degli adroni esotici è sembrata un obiettivo di ricerca impegnativo e sfuggente. Uno dei motivi è che gli strumenti sperimentali disponibili consentivano ai fisici solo di cercare sistemi esotici interamente composti da quark leggeri (u, d, s), difficili da distinguere dai normali adroni.
"Con la disponibilità di collisori di particelle sempre più potenti, i sistemi che incorporano quark più pesanti (c, b) sono diventati sempre più visibili e più pesante è il quark, e più ce ne sono, più facile è diventata la comprensione del sistema", ha detto il prof. Yi. "Un singolo quark charm (c) ha una massa circa una volta e mezza quella di un protone, e un quark bottom (b) è circa cinque volte più pesante di un protone, mentre i singoli quark u e d sono meno di circa lo 0,5% della massa di un protone."
Nel 2003, un articolo della Belle Collaboration in Giappone ha suscitato nuovo interesse per i sistemi esotici, svelando X(3872), che è stato proposto come possibile cc - qq - sistema (cioè un sistema contenente due quark pesanti). Ciò ha aperto la strada a nuovi studi che introducono altri candidati adroni esotici contenenti quark charm e persino bottom, suggerendo l'esistenza di sistemi tetra e penta-quark.
Nonostante questi sforzi, la struttura interna degli adroni esotici rimane un mistero, poiché i sistemi segnalati includono quark leggeri e sono quindi intrinsecamente difficili da modellare. L'osservazione di sistemi costituiti esclusivamente da quark pesanti potrebbe quindi aprire una nuova finestra su strutture esotiche, consentendo ai fisici di comprendere meglio le interazioni forti tra i quark.
"Il problema con i quark pesanti è che sono difficili da produrre", ha detto il prof. Yi. "Un passo in questa direzione è trovare sistemi in cui i quark u o d siano sostituiti dal quark s. Sebbene sia ancora considerato un quark leggero, il quark s è circa 40 volte la massa di un quark u. Nel 2009 ciò è stato realizzato con la scoperta di Y(4140), ora chiamato chi_c(4140), che è un candidato per cc - ss - tetra-quark (cioè il primo candidato esotico senza nessuno dei quark più leggeri (u, d))."
La scoperta di chi_c(4140) ha incoraggiato più gruppi di ricerca a cercare strutture composte interamente da quark c e d. Dopo che l'esistenza di questo sistema fu confermata, CMS iniziò anche a cercare sistemi che decadessero in coppie di particelle J/psi o coppie di particelle Upsilon.
"Il J/psi è cc - stato vincolato, l'Upsilon a bb - stato, e quindi qualcosa che decade in queste coppie di particelle sarebbe un candidato sorprendente per un tetra-quark completamente pesante", ha detto il prof. Yi. "Utilizzando i dati raccolti nel 2011 e nel 2012 come parte di LHC Run I, CMS ha trovato un suggerimento di due strutture J/psi-J/psi, ma in quel momento non c'erano dati sufficienti per avanzare un'affermazione convincente."
Nel 2019, la collaborazione CMS ha ripreso la ricerca di sistemi di quark completamente pesanti che decadono in coppie di particelle J/psi o Upsilon, questa volta utilizzando i dati raccolti all'LHC del CERN tra il 2016 e il 2018 (Run II). Eppure la prima di queste particelle, denominata X(6900), è stata infine osservata da un altro sforzo di ricerca al CERN, vale a dire l'esperimento LHCb.
"L'esperimento LHCb è stato il primo ad essere avviato con il rapporto sul decadimento dell'X(6900) in J/psi-J/psi nel 2020", ha affermato il Prof. Yi. "Tuttavia CMS ha continuato il suo lavoro e alla fine siamo stati ricompensati identificando tre strutture J/psi-J/psi:confermando X(6900) e segnalandone due nuove, denominate X(6600) e X(7100)."
Nell’ambito di questo studio più recente, il team CMS ha cercato specificamente coppie di mesoni J/Psi. Queste particelle sono una potente sonda per i sistemi a quark pesanti, poiché possono essere chiaramente identificate all'interno del collisore LHC, dove l'ambiente è complesso e caratterizzato da collisioni p-p ad alta intensità.
"Per questo studio, il gruppo di analisi ha progettato una strategia di ricerca nella Fase II basata sulle informazioni della Fase I senza effettivamente esaminare i dati. Questo approccio, chiamato analisi "cieca", è molto efficace nell'evitare potenziali errori, come illudersi apparentemente trovando ciò che si pensa di dover o di voler trovare. Le tre strutture sono emerse dopo che i nuovi dati sono stati finalmente scoperti," ha spiegato il Prof. Yi.
Utilizzando questa strategia di analisi alla cieca, il Prof. Yi e i suoi collaboratori CMS sono stati in grado di confermare l'esistenza della struttura precedentemente rilevata dalla collaborazione LHCb, svelando anche due strutture completamente nuove. Queste tre strutture sembrano far parte della stessa famiglia di sistemi a quark pesanti.
"Anche se potrebbe non essere l'unica interpretazione possibile, un modello in cui le tre strutture interferiscono meccanicamente tra loro descrive molto bene i dati CMS", ha affermato il prof. Yi. "Ciò richiede che tutti e tre abbiano le stesse proprietà quantistiche, e suggerisce inoltre che questi stati siano una famiglia di tetraquark eccitati."
Le tre strutture di quark completamente pesanti riportate dalla collaborazione CMS offrono nuovi importanti indizi sulla natura e la struttura interna degli adroni esotici. Nello specifico, individuano un nuovo regime a cui i fisici possono applicare la teoria delle interazioni forti:il regime della "cromodinamica quantistica".
"CMS si sta ora preparando a migliorare le misurazioni delle proprietà di questi stati", ha aggiunto il prof. Yi. "I nuovi dati presentano una nuova entusiasmante possibilità, quella di cercare possibili stati esotici composti esclusivamente da quark bottom ancora più pesanti."
Ulteriori informazioni: A. Hayrapetyan et al, Nuove strutture nello spettro di massa J/ψJ/ψ nelle collisioni protone-protone a s=13 TeV, Lettere di revisione fisica (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.111901
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