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Cinque nuove particelle da LHC

Il rivelatore LHCb per lo studio delle violazioni di simmetria CP
Il rivelatore LHCb per lo studio delle violazioni di simmetria CP Credit : CERN / EP departement

Scoperte al CERN da ricercatori italiani usando l'esperimento LHCb, aprono  nuove prospettive sullo studio di come i quark si legano a formare barioni.

  Un mese fa, mentre si annunciava  al mondo la scoperta del sistema planetario Trappist-1 con 7 pianeti terrestri di cui 3 potenzialmente abitabili, nell'acceleratore più grande del mondo veniva rivelato un nuovo "sistema di particelle" formato da ben 5 nuovi barioni (particelle subatomiche pesanti, composte da tre quark).

 La scoperta, alla quale hanno contribuito ricercatori dell'università di Bari, riguarda cinque "stati eccitati" del barione Ωc0, con masse comprese tra 3,00 e 3,12 GeV/c2; per confronto, il protone e il neutrone, che sono i barioni più leggeri e diffusi in natura, hanno masse intorno a 0,94 GeV/c2.

 I fisici di LHCb (un rivelatore "minore" di LHC, rispetto ai celebri Atlas e CMB che hanno scoperto il bosone di Higgs), hanno dapprima prodotto un gran numero di barioni di tipo Ξc+ (Xi charmed), costituiti dai quark c, s, u; questi successivamente decadevano in un protone p, un kaone K- e un pione π+.  Combinando i valori di massa dei candidati Ξc+ e dei mesoni K- presenti nello stesso evento, si è ottenuto il seguente "spettro" con cinque evidenti picchi che corrispondono alle masse delle cinque nuove particelle.

OmegaFig2

  Il barione Ωc0 (Omega charmed) è un partner massiccio del barione Ω-, una particella che ha giocato un ruolo molto importante nella storia della fisica delle particelle.

 Negli anni '50 venne scoperto un gran numero di particelle, inizialmente ritenute elementari. Per mettere ordine in questa lista crescente, furono fatti dei tentativi di classificazione analoghi alla tabella periodica degli elementi e lo schema di maggior successo si rivelò quello proposto dal fisico Gell-Mann. In essa, i mesoni e i barioni con spin 12 sono organizzati in "ottetti" mentre quelli a spin 32 formano un "decupletto", mostrato qui sotto.

decuplet

 Quando lo schema fu proposto, la partcella più in alto (Ω-, appunto) non era ancora stata scoperta ma solo ipotizzata per completare lo schema e molte sue proprietà vennero previste in modo corretto, inclusa la massa. Quando poi la Ω- venne realmente osservata in una celebre fotografia di una "camera a bolle" al laboratorio Brookhaven nel 1964 (figura qui sotto), la conferma dello schema indusse Gell-Mann a proporre l'esistenza dei quark nel 1964, così da da spiegare in modo semplice l'esistenza di ottetto e decupletto come combinazioni di queste nuove particelle. In particolare, Ω- risultava composto da 3 quark "strani" (strange), in breve sss; invece, Ωc0 contiene due quark strani e un quark "fascino" (charm), dunque una configurazione ssc.

805px Omega Baryon.svg

Diagramma schematico della prima osservazione di una particella Omega.

 Lo stato fondamentale di un sistema ssc, ovvero il barione Ωc0, era noto ai fisici già da qualche tempo. Invece i barioni appena scoperti costituiscono stati eccitati di quel sistema, in analogia con gli stati eccitati degli atomi, e la loro scoperta rinforza il ruolo eccezionale che questa famiglia di barioni gioca nella storia della fisica delle particelle. I tre nuovi stati eccitati hanno ricevuto i nomi Ωc(3000)0, Ωc(3050)0, Ωc(3066)0, Ωc(3090)0 and Ωc(3119)0, dove i numeri tra parentesi indicano le masse in MeV/c2.

 Adesso i ricercatori sono intenti a determinare meglio le proprietà delle nuove particelle e questo aiuterà a capire meglio come i tre quark si leghino all’interno di un barione, tramite gluoni. In futuro, si potrebbero scoprire anche degli stati multi–quark, come i tetraquark e i pentaquark. Per ora, il Cern lo ha definito come “un focolaio di nuovi ed eccezionali risultati di fisica”.

 

Riferimenti:
- http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/Welcome.html#Omega_c
- https://www.wired.it/scienza/lab/2017/03/17/lhc-5-nuove-particelle/
-
http://ep-news.web.cern.ch/content/lhcb-upgrade

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Marco Di Lorenzo (DILO)

Sono laureato in Fisica e insegno questa materia nelle scuole superiori; in passato ho lavorato nel campo dei semiconduttori e dei sensori d'immagine. Appassionato di astronautica e astronomia fin da ragazzo, ho continuato a coltivare queste passioni sul web, elaborando e pubblicando numerose immagini insieme al collega Ken Kremer. E naturalmente amo la fantascienza e la fotografia!

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