Osservato un raro tipo di quartetto formato da “top quark”

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Il Large Hadron Collider ha “dato vita” a un aggregato di quattro particelle ultra-pesanti, chiamate top quark.

Il large Hadron Collider (LHC) o “Grande Collisore di Adroni” è il più grande acceleratore di particelle del mondo, situato presso il CERN di Ginevra in Svizzera, viene utilizzato per ricerche sperimentali nel campo della fisica delle particelle.

Il LHC sviluppa una energia di circa 14 teraelettronvolt, è stato realizzato all’interno di un tunnel sotterraneo alla profondità di 100 metri e ha una circonferenza di circa 27 km. Si trova nello stesso tunnel realizzato in precedenza per l’acceleratore LEP.

La macchina accelera due fasci che circolano in direzioni opposte, all’interno di tubi a vuoto. I fasci collidono in quattro punti lungo il percorso, dove il tunnel si allarga per lasciare spazio a grandi caverne che ospitano i rivelatori. I quattro principali rivelatori di particelle sono ATLAS, di forma toroidale, il Solenoide compatto per muoni, LHCb, e ALICE, un collisore di ioni.

I rivelatori utilizzano tecnologie diverse e operano intorno al punto in cui i fasci entrano in collisione. Nelle collisioni vengono prodotte un grande numero di particelle, le cui proprietà vengono misurate dai rivelatori e inviate al centro di calcolo. Tra gli scopi principali degli studi vi è la ricerca di tracce dell’esistenza di nuove particelle che potrebbero essere il segno di una nuova fisica.

Proprio l’insieme di particelle ultra-pesanti scoperte da LHC è stata a lungo predetta dal Modello Standard, la teoria fisica che descrive tre delle quattro interazioni fondamentali note: le interazioni forte, elettromagnetica e debole (le ultime due unificate nell’interazione elettro-debole) e tutte le particelle elementari ad esse collegate.

Tuttavia le nuove teorie della fisica suggeriscono che le particelle elementari potrebbero essere create molto più spesso di quanto previsto dal Modello standard. Il primo passo per testare nuove teorie è quello di trovare molti altri quartetti di quark top. I risultati sono stati annunciati alla conferenza LHCP 2020.

I primi quark top sono stati creati in numero enorme durante i primi istanti dopo il Big Bang, hanno una vita molto breve, pari a circa un trilionesimo di trilionesimo di secondo.

Secondo uno studio pubblicato nel 2019 sulla rivista Physical Review D i quark top sono i più pesanti conosciuti tra le particelle subatomiche fondamentali. Il quark top scoperto nel 1995 dagli esperimenti CDF e DØ al laboratorio Fermilab Tevatron a Chicago, negli USA è grosso modo pesante quanto un atomo d’oro. Tuttavia, ogni quark top è molto più piccolo di un protone, il che significa che non solo i quark top detengono il record per le particelle più pesanti, ma sono anche la forma di materia più densa conosciuta. All’epoca venivano prodotte poche rare coppie di particelle.

Oggi i quark top possono essere prodotti e osservati negli acceleratori di particelle come LHC che grazie a una maggiore energia e al più alto tasso di collisione rispetto al Tevatron del Fermilab crea coppie di quark top circa una volta al secondo.

Nei recenti esperimenti, i ricercatori stavano cercando la produzione simultanea di due serie di coppie di quark / antiquark top. Secondo il team ATLAS il modello standard prevede che queste collisioni più complesse dovrebbero verificarsi circa 70.000 volte meno frequentemente delle collisioni che creano una singola coppia. Quando si cercano nuove particelle, è importante sapere quanto è probabile che il numero di collisioni osservato si sia verificato per caso, che può essere quantificato dal “sigma” di un risultato.

Nella fisica delle particelle, il gold standard per dichiarare una scoperta è un sigma di 5 o superiore, il che significa che c’è circa 1 su 3,5 milioni di probabilità che l’osservazione attuale si sia verificata a causa di fluttuazioni casuali. Un sigma di 3 significa che il segnale osservato dovrebbe accadere per caso in 1 su 740 esperimenti, ed è considerato “prova” di un’osservazione, secondo Fermilab. Le prove per la produzione di quartetti di top-quark non sono ancora abbastanza forti da rivendicare una nuova scoperta.

I fisici hanno cercato i quartetti di quark top nei dati raccolti da ATLAS e CMS tra il 2015 e il 2018. Il team dell’esperimento ATLAS ha annunciato di aver osservato la produzione di quattro quark top con un sigma di 4.3. Nel frattempo, in un articolo pubblicato sull’European Physical Journal C, i ricercatori dell’esperimento CMS hanno riportato un sigma osservato di soli 2,6 per i loro quartetto di quark top. Prima di condurre l’esperimento, sia ATLAS che CMS si aspettavano un sigma di circa 2,6 sigma.

L’alto sigma visto da ATLAS potrebbe essere una semplice possibilità. Oppure, potrebbe essere un’indicazione che la produzione di quattro top quark è più comune delle previsioni del Modello standard, il che potrebbe significare che questa misurazione è il primo suggerimento di una fisica nuova e inaspettata. “Ulteriori dati della prossima serie di LHC – insieme a ulteriori sviluppi delle tecniche di analisi impiegate – miglioreranno la precisione di questa misurazione stimolante“, hanno affermato i ricercatori in una nota.

L’LHC è stato temporaneamente chiuso dalla fine del 2018 per lavori di ristrutturazione, aggiornamento e manutenzione. Si prevede che riprenderà a funzionare nel 2021, anche se non è chiaro quanto la pandemia di COVID-19 influenzerà il programma.

Fonte: Live Science

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