La vita sociale dei quark

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La collaborazione LHCb nel 2008. Credit: collaborazione LHCb.

Proprio mentre si festeggiavano i cinque anni dalla scoperta del bosone di Higgs, dal Large Hadron Collider è arrivato l'annuncio di una nuova particella, meno famosa forse, ma non meno interessante. Si tratta di uno stato contenente due quark charm e un quark up. I quark sono i costituenti fondamentali della materia, e ne esistono sei tipi: up e down sono i più leggeri, e poi ci sono strange, charm, bottom e top, più pesanti. È proprio la doppia dose di charm della nuova particella a renderla speciale. Potrebbe infatti aiutarci a capire qualcosa di più sulle interazioni che tengono insieme i quark quando questi si legano a formare gli adroni. Della famiglia degli adroni fanno parte i ben noti protoni e neutroni, oltre a una serie di altre particelle più pesanti che vengono prodotte negli acceleratori.

A ottenere il risultato è stato l’esperimento LHCb, uno dei quattro attivi lungo l’anello acceleratore del CERN di Ginevra. Il nome è piuttosto bizzarro, si chiama Xicc++ (da leggere ‘csi-c-c-più-più’). È una particella con carica elettrica doppia rispetto a quella di un elettrone e una massa pari a circa 3,8 volte quella del protone. L’annuncio è avvenuto la scorsa settimana, durante la “Euorpean Physical Society Conference on High Energy Physics” a Venezia, ed è arrivato poco dopo il passaggio di consegne alla guida dell’esperimento che ha nominato Giovanni Passaleva coordinatore di LHCb.

Osservazioni altrettanto preziose per la comprensione delle interazioni tra quark sono quelle dei cosiddetti 'adroni esotici', aggregati non convenzionali - in un senso che chiariremo fra poco - di quark. Anche in questo campo LHCb ha ottenuto risultati importanti. Dopo aver confermato l'esistenza di numerose particelle appartenenti a questa eccentrica famiglia, LHCb ne ha aggiunte di nuove. Nell'estate del 2015 sono stati rilevati due nuovi adroni esotici: due particelle composte da cinque quark, un quark charm e un suo antiquark e tre quark leggeri. Note come pentaquark, queste hanno vita molto breve, intorno a un milionesimo di miliardesimo di secondo.

Ma andiamo con ordine e cerchiamo di capire in quanti modi i quark possono combinarsi e dare luogo a particelle osservabili in un acceleratore.

Colori e sapori dei quark

Prendendo a prestito un'espressione coniata nel 1995 dalla giornalista scientifica Falye Flam e recentemente ripresa da Adrian Cho su Science, possiamo dire che i quark hanno una vita sociale complessa. Sappiamo che le interazioni elettromagnetiche sono responsabili dell’attrazione fra gli elettroni, carichi negativamente, e il nucleo degli atomi, carico positivamente. In modo simile le ‘interazioni forti‘ agiscono su delle cariche. Ma se esiste solo un tipo di carica elettrica, le ‘cariche forti’, chiamate ‘colori’, sono di tre tipi: rosso, blu e verde. Per ognuno esiste la carica di segno opposto ‘anti-rosso’, ’anti-blu’, ’anti-verde’, proprio come la carica elettrica positiva è l’opposto della carica elettrica negativa.

Le combinazioni di colori permesse sono di due tipi, che potremmo chiamare combinazioni ‘bianche’ e combinazioni ‘incolori’. Il bianco si ottiene dalla sovrapposizione dei tre colori e sono dunque necessari tre quark per formare una particella ‘bianca’. Le particelle costituite da tre quark si chiamano ‘barioni’. Per ottenere, invece, una combinazione ‘incolore’, si devono legare un quark e un antiquark. Queste combinazioni danno luogo ai cosiddetti ‘mesoni’. I barioni e i mesoni fanno parte del più ampio gruppo degli adroni.

A complicare ulteriormente le cose, i quark possono essere, come abbiamo detto di sei tipi, chiamati ‘sapori’: up, down, strange, charm, bottom, top . La combinazione di colori e sapori produce una grande quantità di particelle. Tra queste conosciamo bene il protone, composto da due quark up e un quark down (‘uud’), e il neutrone, costituito da un quark up e due quark down (‘udd’). Protoni e neutroni appartengono dunque alla famiglia dei barioni. Della famiglia dei mesoni fanno parte ad esempio i tre tipi di pioni: il pione positivo, composto da un quark up e un antiquark down, quello negativo, da un quark down e un antiquark up, e quello neutro, fatto di coppie di quark e antiquark up e down. E così via.

La matematica degli adroni

La teoria che descrive matematicamente le interazioni forti si chiama "Cromo Dinamica Quantistica" (in inglese "Quantum Chromo Dynamics", QCD). Dal punto di vista matematico si tratta di un vero e proprio rompicapo. Non esistono, in altre parole, formule semplici per calcolare la massa di un adrone a partire da quelle dei quark che la costituiscono, né per stimare il suo tempo di decadimento. La verità è che i quark costituenti un adrone sono solo una piccola parte del suo contenuto. Una nuvola di ‘gluoni', particelle che mediano le interazioni forti in maniera simile a come i fotoni mediano quelle elettromagnetiche, confina i quark all’interno degli adroni, senza mai permetterci di osservarli isolati gli uni dagli altri.

Al Large Hadron Collider di Ginevra (LHC) due fasci di protoni vengono accelerati in direzioni opposte all'interno di due anelli circolari che corrono paralleli. In quattro punti questi fasci vengono estratti e fatti scontrare, in gergo collidere. L’energia della collisione libera per un brevissimo istante i quark all’interno dei protoni e questi possono interagire, trasformando sapori e colori, e ricombinandosi infine in altri adroni che si allontano, come dei raggi, dal punto in cui è avvenuto lo scontro. Ad accogliere i prodotti della collisione nei 4 punti ci sono 4 rilevatori: Atlas, CMS, Alice e LHCb.

I fisici hanno cercato di formulare delle approssimazioni che descrivano, appunto, la complessa vita sociale dei quark e dei gluoni all’interno degli adroni. Per poter confermare o smentire queste approssimazioni c’è bisogno di studiare attentamente le caratteristiche di un numero sempre maggiore di adroni. Questo è uno degli obiettivi di LHCb.

Doppia dose di charm

Particelle con doppia dose di charm se ne erano già viste negli acceleratori. La prima tra tutte è stata la J/psi (da leggere ‘géi-psi’), osservata per la prima volta nel 1974. Si tratta di un mesone, contenente un quark c e il suo antiquark. Da allora i mesoni contenenti due quark charm, i cosidetti stati di charmonio, sono stati ampiamente studiati da diversi esperimenti nel mondo. Ma finora non si era mai visto un barione contenete due quark c.

Per poter osservare la particella Xicc++ è stato necessario cercare i suoi prodotti di decadimento, ovvero le particelle in cui questa si scioglie pochissimo tempo dopo essere stata prodotta dallo scontro di protoni nell’acceleratore. L’esistenza di una particella con le caratteristiche della Xicc++ era prevista dalla teoria, insieme a quella di due ‘compagne’ a formare quello che i fisici chiamano un tripletto. Finora solo due particelle del tripletto sono state trovate negli esperimenti. La prima osservazione riguarda la Xicc+ , analoga alla nuova particella di LHCb, ma con un quark down al posto del quark up. A trovarla nel 2002 è stato SELEX, un esperimento del Fermilab di Chicago, ma da allora nessun altro esperimento ha mai confermato l’osservazione.

L’osservazione di queste particelle permetterà di approfondire la rappresentazione teorica che abbiamo di questo tipo di adroni. Mentre il protone è costituito da tre quark leggeri, che probabilmente si muovono gli uni attorno agli altri senza che nessuno diventi un centro di attrazione, nel caso delle particelle con due quark charm come la Xicc++ , c’è da aspettarsi che la situazione somigli più a quella di un atomo: i due quark charm, più pesanti, nel ruolo del nucleo e il quark up, leggero, nel ruolo dell’elettrone. Per valutare questa ipotesi sarà necessario approfondire le caratteristiche della neonata Xicc++ e e delle sue, per ora elusive, compagne.

Figura 1. L'accumulazione dei dati che hanno confermato l'esistenza della Xicc++ da parte della collaborazione LHCb. Il grafico mostra sull'asse orizzontale la massa invariante dei prodotti del decadimento della Xicc++. Credit: collaborazione LHCb.

Adroni Esotici

Ma oltre a mesoni e barioni c’è dell’altro. Fin dalla prima formulazione della Cromo Dinamica Quantistica negli anni '70, i fisici si accorsero che i barioni e i mesoni non erano le uniche combinazioni possibili per ottenere particelle bianche o incolori. Aggregando due quark e due antiquark in maniera opportuna si possono infatti ottenere particelle incolore. Inoltre quattro quark e un antiquark in una precisa configurazione producono particelle bianche. Fino al 2003 queste particelle, chiamate rispettivamente tetraquark e pentaquark, non erano che un'ipotesi matematica senza alcun riscontro nei dati sperimentali. A partire da quell’anno una serie di nuove osservazioni hanno confermato la loro esistenza, senza tuttavia chiarire definitivamente la loro natura. All'interno della comunità dei fisici è in corso un acceso dibattito sull'interpretazione dei dati. Alcuni sostengono infatti che non si tratti di particelle diverse dai tradizionali barioni e mesoni, ma piuttosto di molecole di mesoni e barioni.

Nel caso dei pentaquark osservati da LHCb nell'estate del 2015, le due possibilità sono rappresentate nella figura 2. A sinistra uno stato compatto contenente cinque quark tutti interagenti tra loro tramite i gluoni. A destra uno stato formato da due particelle ben distinte e identificabili: un barione, contenente tre quark leggeri, e un mesone, contenente un quark c e il suo antiquark. Questi due punti di vista sono destinati a scontrarsi ancora sul piano degli esperimenti.

Figura 2. Pentaquark (a sinistra) o molecola mesone-barione (a destra). Credit: APS/Carin Cain.

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