Una nuova ricerca condotta da scienziati dell’Università di Bonn, pubblicata di recente su Physical Review Letters, potrebbe descrivere nel dettaglio la prima volta che è stata osservata una cosiddetta “singolarità triangolare“, una strana danza in cui le particelle subatomiche cambiano la loro identità. L’osservazione di questa singolarità triangolare può fornire informazioni sulla forza forte e sul motivo per cui particelle come protoni e neutroni sono più pesanti del previsto.
I quark arrivano in due e tre… e quattro?
I quark non si vedono mai da soli in natura. Invece, sono visti in gruppi di due e tre. Questi costituiscono gli elementi costitutivi della natura. Inoltre, ogni quark ha una “carica di colore“, che chiamiamo rosso, blu o verde.
Una coppia di due quark è detta mesone e consiste sempre di un quark e di un antiquark. Questi due quark avranno colore opposto. Ad esempio, un mesone potrebbe essere costituito da un quark rosso e un antirosso. Tre quark sono chiamati barione e sono costituiti da un quark rosso, blu e verde o da un quark antirosso, antiverde e antiblu.
Protoni e neutroni all’interno dei nuclei atomici sono barioni, formati da tre quark. – GETTY
In entrambi i casi, le cariche di colore si annullano, lasciando una particella di carica di colore zero.
Quello che non si vede sono gruppi di quattro quark. Questo fino al 2015, quando gli scienziati del CERN di Ginevra hanno notato la possibile presenza di un tetraquark spuntare nei loro dati.
Vedere un tetraquark è stato sorprendente. Ma ora, gli scienziati pensano che potrebbe esserci un’altra spiegazione ai dati e la scoperta potrebbe essere ancora più bizzarra della scoperta di un tetraquark.
Nel Compass Experiment al CERN, pioni sono stati accelerati a velocità straordinariamente elevate e si sono schiantati contro nuclei di idrogeno. I pioni sono mesoni, costituiti da una coppia quark-antiquark. Questi quark sono tenuti insieme dalla forza forte, una delle quattro forze fondamentali della natura. La forza forte diventa più forte con la distanza, un po’ come la forza di un elastico teso: più i due quark sono distanti, più sono attratti l’uno dall’altro. Questa forza tiene insieme i quark, siano essi pioni o nuclei di idrogeno.
Quando un pione molto veloce si schianta contro un atomo di idrogeno, l’energia contenuta in questa forza viene rilasciata tutta in una volta, in modo simile a un elastico che si spezza. Questa energia poi va a creare nuove particelle.
È qui che sembrava che fosse stata creata una particella di quattro quark, il tetraquark. Ma un’altra interpretazione è che invece potremmo aver visto la favolosa “singolarità del triangolo“.
La singolarità del triangolo è stata postulata nel 1950 dal fisico russo Lev Davidovich Landau, ma mai vista prima.
Quando i pioni si scontrano con i nuclei di idrogeno, ne risulta un flusso di particelle. Alcuni di queste sono un altro tipo di mesone, i kaoni.
Due kaoni possono quindi continuare a scambiare quark tra loro, trasformando le identità nel processo. Questa è la singolarità del triangolo – “triangolo” dalla forma che questa interazione assume in un diagramma di Feynman e singolarità perché durante questa interazione, la matematica che descrive l’interazione si interrompe temporaneamente.
Non è ancora chiaro se questa sia una vera singolarità triangolare, ma se lo è, può aiutare ad affrontare parte del mistero dietro la forza forte.
Ad esempio, una domanda senza risposta che i fisici hanno è perché particelle come protoni o neutroni siano molto più massicce di quanto previsto dal meccanismo di Higgs. Comprendere le singolarità dei triangoli può offrire importanti indizi su questo enigma.