LHC, scoperto il primo pentaquark

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Avete dei mattoncini per le costruzioni. La casa produttrice impone che si possano combinare solo con precise regole, per cui risulta naturale ottenere solo coppie o triplette di mattoncini. Voi, però, vi mettete in testa di trovare delle combinazioni con un numero più alto di mattoncini, ovviamente senza violare le regole di base.
Questo è un gioco a cui si sono dedicati a lungo i fisici teorici nella seconda metà degli anni ’60: solo che al posto dei mattoncini c’erano quark, e al posto delle regole della casa costruttrice c’era la cromodinamica quantistica, ovvero la teoria che descrive l’interazione tra quark.
A sorpresa, i fisici predissero l’esistenza di strutture formate da cinque quark, chiamate – con non troppa fantasia – “pentaquark”.
A circa mezzo secolo di distanza, l’esperimento LHCb di LHC, il grande acceleratore di particelle al CERN di Ginevra, in Svizzera, ha osservato segni di qualcosa che sembra proprio essere un pentaquark. Il risultato dello studio, effettuato analizzando dati su collisioni avvenute a LHC nel 2012, è riportato in un articolo sottomesso alla rivista Physical Review Letters. La scoperta – è opportuno sottolinearlo – è ancora preliminare e da confermare con studi successivi, ma sta già creando ondate di entusiasmo nella comunità scientifica: «È la scoperta più eccitante nel campo della cromodinamica quantistica che potessi immaginare», commenta Frank Wilczek del Massachusetts Institute of Technology (MIT), tra i principali esponenti della teoria stessa. 

Up, up, down, charm, anticharm

Nello specifico, il team di LHCb ha osservato due “varianti” di un unico pentaquark, di massa rispettivamente 4,38 e 4,45 GeV (gigaelettronvolt, ovvero circa la massa di un protone). La differenza tra le due “versioni” del pentaquark osservato a LHC è data unicamente dal differente stato di spin dei quark che lo compongono: gli “ingredienti”, però, rimangono gli stessi.
Quali sono questi ingredienti? In natura, i quark si presentano in 6 tipi differenti, a cui i fisici hanno dato nomi piuttosto insoliti: up, down, charm, strange, top, bottom. A ogni quark è associato un antiquark, uguale in tutto e per tutto al primo tranne per la carica elettrica, che è opposta. Il pentaquark di cui LHCb ha rilevato traccia sarebbe formato da due quark up, un quark down, un quark charm e un antiquark charm.
L’importanza cruciale di questa scoperta è ben spiegata da Guy Wilkinson, portavoce dell’esperimento LHCb: «Il pentaquark osservato non è soltanto una nuova particella, ma anche un nuovo modo in cui i quark, che rappresentano i costituenti fondamentali di neutroni e protoni, possono combinarsi tra loro, in uno schema mai osservato prima in oltre cinquant’anni di ricerche sperimentali. Ulteriori studi delle proprietà dei pentaquark ci permetteranno di comprendere meglio la natura di neutroni e protoni, i costituenti della materia di cui siamo fatti noi e tutto ciò che ci circonda». Si tratta, quindi, di un evento memorabile nella storia della fisica delle particelle.
Per ottenere questo risultato, i fisici di LHCb hanno studiato il decadimento di un particolare barione (cioè una particella formata da tre quark), chiamato Λb (“lambda-bìottom”), in una rara particella chiamata J/ψ (“J-psi”), un protone e un kaone (particella formata da una coppia quark-antiquark): è risultato che, in certi casi, tale decadimento avviene passando attraverso delle particelle intermedie, che secondo i dati di LHCb sembrano essere in tutto e per tutto dei pentaquark.


Figura 1: I dati osservativi raccolti da LHCb sono rappresentati dai pallini rossi. La linea nera “a scalini” e il puntinato viola indicano i contributi teorici forniti dalle due “versioni” del pentaquark, che prendono il nome di Pc(4450)+ e Pc(4380)+. Come si nota soprattutto dal riquadro in alto a destra, i dati sperimentali si possono spiegare straordinariamente bene ipotizzando la comparsa delle due “varianti” del pentaquark durante il decadimento del barione Λb nella particella J/ψ.]

La lunga storia del pentaquark

Predetti teoricamente già a cavallo tra gli anni ’60 e gli anni ’70 in seguito alla sistemazione della cromodinamica quantistica, i pentaquark non fecero capolino nei lavori dei fisici sperimentali fino al 2002, quando un team di ricercatori al sincrotrone SPring-8 a Harima, in Giappone, annunciò per la prima volta la scoperta di una particella formata da cinque quark.
La scoperta sembrava solida, anche perché confermata da altri laboratori indipendenti, ma nel 2005 venne stroncata definitivamente dal team di ricerca del Thomas Jefferson National Accelerator Facility, negli Stati Uniti. Da allora non si parlò quasi più di pentaquark, quasi come se fosse diventato un argomento tabù. Questo fino alla storica scoperta annunciata nei giorni scorsi (che riguarda comunque un pentaquark diverso da quello “giapponese”).
A dire il vero, la scoperta non giunge proprio inattesa: l’esistenza di particelle formate da cinque quark era predetta in maniera molto solida dalla teoria. La stessa teoria che aveva previsto anche l’esistenza di tetraquark (particelle a 4 quark, cioè due coppie quark-antiquark), che è stata dimostrata sperimentalmente l’anno scorso, sempre a LHC.
L’esperimento LHCb, in particolare, è destinato a rimanere in prima linea in questo settore di ricerca, perché ha a suo favore due vantaggi cruciali: da una parte l’enorme precisione del rivelatore, e dall’altra una sterminata mole di eventi analizzabili (prodotti dalle collisioni che avvengono a LHC), su cui il trattamento statistico può dare dei risultati altamente significativi.

Una famiglia da allargare

Se verrà confermata da ulteriori analisi a seguire, la scoperta del pentaquark effettuata dal team di LHCb promette di aprire una nuova strada di ricerca sulla cromodinamica quantistica. Ce lo spiega Luciano Maiani, fisico teorico tra i massimi esperti italiani del settore: «Ci attende adesso l’esplorazione di un nuovo mondo di particelle, al CERN e ai collisori elettrone-positrone in Giappone e in Cina. Speriamo di trovare, nei pentaquark, quella “pistola fumante” che convinca anche gli scettici dell’esistenza di una nuova serie di particelle subnucleari, che ci daranno informazioni cruciali sulle ancora misteriose interazioni tra quark».
In particolare, nell’immediato sarà interessante scoprire i dettagli precisi del modo in cui l’interazione tra quark “tiene insieme” queste particelle all’interno del pentaquark. Per esempio, quanto sono amalgamati i cinque quark della struttura osservata da LHCb? Al momento si ritengono possibili due possibili “layout” della particella: uno in cui tutti i quark sono strettamente legati tra loro, e una in cui un barione (con 3 quark) e un mesone (con una coppia quark-antiquark) sono tenuti insieme da una forza simile a quella che lega protoni e neutroni (anch’essi costituiti da quark) nei nuclei atomici.
Come è facile prevedere, i dati prodotti e raccolti durante il Run 2 di LHC saranno fondamentali per far luce sulla questione.

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