CMS scopre una nuova particella

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E' di pochi giorni fa l'annuncio della scoperta di un barione mai osservato prima, con una massa vicina a quella dell'atomi di litio. I fisici  Claude Amsler, Vincenzo Chiochia e Ernest Aguiló del CERN di Ginevra hanno “giocato” con l'LHC, lo stesso strumento usato per la ricerca del bosone di Higgs. I ricercatori dicono che la scoperta del secondo dei tre barioni composti dai quark usb è importante per confermare la teoria che spiega come i quark si leghino tra di loro e come la forza forte, una delle quattro presenti in natura, contribuisca a creare queste particelle elusive. Ecco la spiegazione della importante scoperta da parte di Guido Emilio Tonelli.

La Collaborazione CMS –  che conduce uno degli eperimenti con LHC, il grande acceleratore del CERN di Ginevra - ha recentemente sottomesso per la pubblicazione un articolo che descrive la scoperta di una nuova particella. Si tratta di un nuovo barione (particelle composte da tre quark), conosciuto come Ξ*bo, stato eccitato di un sistema di tre quarks, appunto, fra i quali anche il quark b (noto anche come quark beauty). La nuova particella era prevista dal modello standard, non si tratta quindi di una misura che lasci intravvedere nuova fisica, e tuttavia si tratta di un bel risultato che conferma lo stato di salute dell’esperimento e le incredibili potenzialita’ dei rivelatori di LHC. L’osservazione e’ stata fatta analizzando i dati raccolti dall’esperimento nel 2011 con collisioni di LHC all’energia di 7 TeV nel centro di massa. La massa della nuova particella e’ stata misurata con precisione e risulta di 5945.0±2.8MeV (oltre 6 volte, dunque, la massa di un protone) mentre la significativita’ statistica della scoperta e’ stimata superiore alle 5σ (dunque molto alta). La famiglia dei barioni Ξb e’ formata da particelle contenenti un quark beauty (b), un quark strange (s) ed un quark up (u) o down (d). Il sistema di tre quark “bsu” da’ origine ai barioni neutri Ξb o mentre se al posto del quark up (u) si colloca un quark down (d) dal sistema “bsd” nascono i barioni carichi Ξb -. Tutto questo e’ noto da tempo, il modello standard prevede questi barioni ed effettivamente essi sono stati osservati sperimentalmente. Quello che fino ad ora era sfuggito all’osservazione diretta era lo stato eccitato di questi barioni, in altri termini, si erano osservati barioni neutri Ξb o e carichi Ξb - ma sempre con i numeri quantici per il momento angolare (J) e per la parita’ (P) caratteristici dello stato fondamentale. La teoria prevede la presenza di stati eccitati degli stessi barioni e quindi prevede nuove particelle con masse appena superiori. Ma fino ad ora la loro osservazione era risultata molto difficile perche’ gli stati eccitati decadono molto rapidamente in una cascata di particelle di massa inferiore che e’ molto difficile distinguere dal fondo. Lo stato Ξ*bo e’ stato identificato attraverso la ricostruzione di una complessa sequenza di decadimenti di particelle che portano ad uno stato finale contenente un protone, due muoni e tre pioni.

Come e’ illustrato in fig.1 il barione eccitato Ξ*bo prodotto nel vertice primario della collisione fra protoni decade immediatamente in un barione carico allo stato fondamentale Ξb - emettendo un pione carico positivo che risulta provenire dal vertice primario. A sua volta lo Ξb - decade, dopo un tempo di volo caratteristico, in una coppia J/ψ Ξ- con la J/ψ che produce una coppia di muoni di segno opposto, mentre la Ξ- prosegue in volo fino a che si disintegra in una coppia Λ0π-. Il processo si conclude con la Λ0 che decade in un protone ed in un pione negativo π-. L’ esistenza del barione Ξ*b 0 e’ stabilita mediante la rivelazione di tutte queste particelle, per ciascuna delle quali si misura carica, impulso e vertici di produzione e di decadimento che vengono utilizzati per ricostruire le masse invarianti dei vari stati intermedi del decadimento. Un ruolo importante nella ricostruzione del segnale e nel controllo dei fondi e’ giocato dall’utilizzo della conoscenza delle vite medie degli stati intermedi prodotti.

 

In totale, nella finestra di massa di interesse, CMS ricostruisce 21 eventi su un fondo aspettato, in assenza di segnale, di 3.0±1.4 eventi. La significativita’ statistica dell’ eccesso osservato e’ stata valutata pari a 6.9σ. Anche considerando diverse ipotesi di correzione per il Look Elsewhere Effect  (un effetto che tiene conto della manifestazione casuale di un evento) questo valore rimane in ogni caso superiore alle 5σ che e’ il valore comunemente utilizzato per parlare di scoperta.

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