Nei primi milionesimi di secondo dopo il Big Bang, l’universo era un plasma di quark e gluoni turbolento, di trilioni di gradi, particelle elementari che si unirono brevemente in innumerevoli combinazioni prima di raffreddarsi e stabilizzarsi in configurazioni più stabili per formare i neutroni e i protoni.
Nel caos prima del raffreddamento, una frazione di questi quark e gluoni si è scontrata casualmente per formare particelle X di breve durata, così chiamate per le loro strutture misteriose e sconosciute. Oggi, le particelle X sono estremamente rare, anche se i fisici hanno teorizzato che potrebbero essere create in acceleratori di particelle attraverso la coalescenza di quark, dove collisioni ad alta energia possono generare lampi simili di plasma di quark e gluoni.
Ora i fisici del Laboratory for Nuclear Science del MIT e altrove hanno trovato prove di particelle X nel plasma di quark e gluoni prodotto nel Large Hadron Collider (LHC) del CERN, l’Organizzazione europea per la ricerca nucleare, con sede vicino a Ginevra, in Svizzera.
Il team ha utilizzato tecniche di apprendimento automatico per setacciare oltre 13 miliardi di collisioni di ioni pesanti, ognuna delle quali ha prodotto decine di migliaia di particelle cariche. In mezzo a questa zuppa di particelle ultradensa e ad alta energia, i ricercatori sono stati in grado di estrarre circa 100 particelle X, di un tipo noto come X (3872), chiamato per la massa stimata della particella.
I risultati, pubblicati questa settimana su Physical Review Letters, segnano la prima volta che i ricercatori hanno rilevato particelle X nel plasma di quark e gluoni, un ambiente che sperano illuminerà la struttura ancora sconosciuta delle particelle.
“Questo è solo l’inizio della storia”, ha affermato l’autore principale Yen-Jie Lee, Professore Associato di Fisica per lo sviluppo della carriera nel 1958 al MIT. “Abbiamo dimostrato di poter trovare un segnale. Nei prossimi anni vogliamo utilizzare il plasma di quark e gluoni per sondare la struttura interna della particella X, il che potrebbe cambiare la nostra visione del tipo di materiale che l’universo dovrebbe produrre”.
I coautori dello studio sono membri della CMS Collaboration, un team internazionale di scienziati che opera e raccoglie dati dal Compact Muon Solenoid, uno dei rivelatori di particelle dell’LHC.
Particelle nel plasma
Gli elementi costitutivi di base della materia sono il neutrone e il protone, ciascuno dei quali è costituito da tre quark strettamente legati.
“Per anni abbiamo pensato che, per qualche ragione, la natura avesse scelto di produrre particelle composte solo da due o tre quark”, ha detto Lee.
Solo di recente i fisici hanno iniziato a vedere segni di “tetraquark” esotici, particelle costituite da una rara combinazione di quattro quark. Gli scienziati sospettano che X (3872) sia un tetraquark compatto o un tipo completamente nuovo di molecola composta non da atomi ma da due mesoni legati in modo lasco, particelle subatomiche che a loro volta sono costituite da due quark.
X (3872) è stato scoperto per la prima volta nel 2003 dall’esperimento Belle, un collisore di particelle in Giappone che frantuma elettroni e positroni ad alta energia. All’interno di questo ambiente, tuttavia, le particelle rare sono decadute troppo rapidamente perché gli scienziati potessero esaminarne la struttura in dettaglio. È stato ipotizzato che X (3872) e altre particelle esotiche potrebbero essere illuminate meglio nel plasma di quark-gluoni.
“In teoria, ci sono così tanti quark e gluoni nel plasma che la produzione di particelle X dovrebbe essere migliorata”, ha detto Lee. “Ma gli scienziati pensavano che sarebbe stato troppo difficile cercarli poiché ci sono così tante altre particelle prodotte in questa zuppa di quark”.
“Davvero un segnale”
Nel loro nuovo studio, Lee e i suoi colleghi hanno cercato segni di particelle X all’interno del plasma di quark-gluoni generato dalle collisioni di ioni pesanti nel Large Hadron Collider del CERN. Hanno basato la loro analisi sul set di dati dell’LHC del 2018, che includeva oltre 13 miliardi di collisioni di ioni di piombo, ognuna delle quali ha rilasciato quark e gluoni che si sono dispersi e si sono fusi per formare più di un quadrilione di particelle di breve durata prima di raffreddarsi e decadere.
“Dopo che il plasma di quark e gluoni si è formato e si è raffreddato, vengono prodotte così tante particelle che lo sfondo è schiacciante”, ha affermato Lee. “Quindi abbiamo dovuto abbattere questo sfondo in modo da poter finalmente vedere le particelle X nei nostri dati”.
Per fare ciò, il team ha utilizzato un algoritmo di apprendimento automatico che ha addestrato per individuare i modelli di decadimento caratteristici delle particelle X.
Immediatamente dopo che le particelle si formano nel plasma di quark e gluoni, si scompongono rapidamente in particelle “figlie” che si disperdono. Per le particelle X, questo modello di decadimento, o distribuzione angolare, è distinto da tutte le altre particelle.
I ricercatori, guidati dal post-dottorato del MIT Jing Wang, hanno identificato le variabili chiave che descrivono la forma del modello di decadimento delle particelle X. Hanno addestrato un algoritmo di apprendimento automatico per riconoscere queste variabili, quindi hanno fornito all’algoritmo i dati effettivi degli esperimenti di collisione dell’LHC.
L’algoritmo è stato in grado di setacciare il set di dati estremamente denso e rumoroso per individuare le variabili chiave che erano probabilmente il risultato del decadimento delle particelle X.
“Siamo riusciti ad abbassare lo sfondo di ordini di grandezza per vedere il segnale”, ha affermato Wang.
I ricercatori hanno ingrandito i segnali e osservato un picco a una massa specifica, che indica la presenza di particelle X (3872), circa 100 in tutto.
“È quasi impensabile poter estrarre queste 100 particelle da questo enorme set di dati”, ha affermato Lee, che insieme a Wang ha eseguito più controlli per verificare la loro osservazione.
Entro i prossimi due anni, i ricercatori hanno in programma di raccogliere molti più dati, che dovrebbero aiutare a chiarire la struttura della particella X. Se la particella è un tetraquark strettamente legato, dovrebbe decadere più lentamente che se fosse una molecola legata in modo lasco. Ora che il team ha dimostrato che le particelle X possono essere rilevate nel plasma di quark-gluoni, hanno in programma di sondare questa particella con plasma di quark-gluoni in modo più dettagliato, per definire la struttura della particella X.
“Attualmente i nostri dati sono coerenti con entrambi perché non abbiamo ancora statistiche sufficienti. Nei prossimi anni prenderemo molti più dati in modo da poter separare questi due scenari”, ha affermato Lee. “Ciò amplierà la nostra visione dei tipi di particelle che sono state prodotte in abbondanza nell’universo primordiale”.
