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.
