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Un barione doppiamente affascinante

Rappresentazione artistica della nuova particella, contenente due quark "Charm" e un quark "up" tenuti insieme da flussi di gluoni.
Rappresentazione artistica della nuova particella, contenente due quark "Charm" e un quark "up" tenuti insieme da flussi di gluoni. Image: Daniel Dominguez/CERN - Processing/improvement by M. Di Lorenzo

 Scoperta tramite LHC una nuova particella pesante contenente, per la prima volta, due quark di tipo "fascino" (charm). La sua struttura interna dovrebbe somigliare a una stella doppia con un pianeta.

 Poco più di tre mesi fa parlammo della scoperta di cinque nuovi barioni (particelle subatomiche pesanti, composte da tre quark) tramite LHCb, un rivelatore "minore" di LHC. Si trattava di 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).  Ebbene, ieri alla conferenza EPS su "High Energy Physics" tenutasi a Venezia, i fisici di LHCb hanno presentato un nuovo importante risultato, con la scoperta di un bosone Ξcc++ (Xi double-charmed). Si tratta di una nuova particella contenente due quark "fascino" e un quark "su" (up); per brevità, si usano solo le iniziali e si dice che la struttura è ccu. I quark c sono nettamente più pesanti ed esotici rispetto a quelli u e d, che sono i costituenti dei protoni e neutroni di cui è fatta la materia ordinaria. il doppio segno positivo si riferisce invece alla carica elettrica, che è pari al doppio di quella di un protone.

 L'esistenza di barioni con due quark pesanti era prevista dalle teorie attuali e i fisici erano alla ricerca di queste particelle da diversi anni; esse si collocano nel piano più alto del seguente schema, evidenziate in rosso. Le altre due particelle previste sono Ξcc+ (ccd), e cc+ (ccs, dove s sta per strange, altro quark "pesante").

cc3

CERN on behalf of the LHCb collaboration, license CC-BY-4.0

 I modelli teorici prevedono per questi barioni con doppio quark pesante una massa compresa tra 3,5 e 3,7 GeV/c2 e un tempo di vita molto breve, alcune centinaia di femtosecondi (1 fs = 10-15 s). Il decadimento avviene secondo il seguente schema, con produzione di un barione lambda e tre mesoni leggeri (un kaone e due pioni): 

Ξcc++ → Λ+c K− π+ π+

 Queste particelle sono state effettivamente osservate in LHCb nel corso del "run 2" a energia di 13 TeV e poi confermate anche nel "run 1" a 8 TeV (il Tera-ElettronVolt, o TeV, è l'unità di misura dell'energia degli impatti tra particelle; esso corrisponde a circa 1,6·10-7 J, confrontabile con l'energia cinetica di una zanzara in volo). Come si vede nel grafico seguente, le osservazioni indicano una massa in ottimo accordo con le previsioni, pari a circa 3621.5 MeV/c2.

cc2

I dati sperimentali mostrano in modo inequivocabile un segnale (picco) che corrisponde alla massa della nuova particella - CERN on behalf of the LHCb collaboration, license CC-BY-4.0

 In tutto, ci sono sei tipi di quark e teoricamente sono possibili molte combinazioni differenti. "Trovare un barione con due quark pesanti è di grande interesse perché fornirà uno strumento unico per approfondire la cromodinamica quantistica, la teoria che descrive l'interazione forte, una delle quattro forze fondamentali", ha detto Giovanni Passaleva, nuovo portavoce della collaborazione LHCb. "Queste particelle aiuteranno a migliorare il potere predittivo delle nostre teorie".

 "In contrasto con gli altri barioni, in cui i tre quark eseguono una danza elaborata l'uno intorno all'altro, un barione doppiamente pesante dovrebbe comportarsi come un sistema planetario, dove i due quark pesanti giocano il ruolo di stelle binarie che orbitano una intorno all'altra, mentre il quark più leggero è come un pianeta che orbita intorno a questo sistema binario", ha aggiunto Guy Wilkinson, ex-portavoce della collaborazione. In effetti, un quark di tipo c è circa 500 volte più pesante di uno di tipo u e circa 250 volte quello di tipo d (i valori esatti non sono noti, per quanto strano possa sembrare, perchè c'è di mezzo l'energia di legame tra quark).

 Misurare le proprietà del Ξcc++ aiuterà a stabilire come si comporta un sistema di due quark pesanti e un quark leggero. Importanti osservazioni possono essere ottenute misurando con precisione i meccanismi di produzione e di decadimento e la durata di vita di questa nuova particella. L'osservazione di questo nuovo barone si è rivelata impegnativa ed è stata resa possibile grazie all'alto tasso di produzione di quark pesanti al LHC e alle capacità uniche dell'esperimento LHCb, in grado di identificare i prodotti di decadimento con ottima efficienza. 

 L'osservazione del Ξcc++ in LHCb suscita la speranza di individuare altri rappresentanti della famiglia di barioni a doppio quark pesante, sempre tramite LHC.

 

Riferimenti:
https://home.cern/about/updates/2017/07/lhcb-announces-charming-new-particle
https://indico.cern.ch/event/466934/contributions/2616767/attachments/1488361/2313309/Spradlin-2017.07Jul.06_EPS.pdfhttp://press.web.cern.ch/sites/press.web.cern.ch/files/file/press/2017/07/lhcb_paper_2017.07.06.pdf

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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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