Quattro nuove particelle subatomiche sono state appena scoperte al Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra. Con questa scoperta salgono a 59 le nuove particelle subatomiche scoperte da quando LHC ha iniziato a funzionare nel 2009.
Alcune delle nuove particelle subatomiche appena scoperte erano predette dal Modello Standard, mentre altre sono una vera e propria sorpresa per i fisici.
LHC è un gigantesco acceleratore di particelle realizzato per esplorare la struttura interna della materia e per mettere alla prova la migliore teoria a nostra disposizione che spiega le leggi della natura: il modello standard della fisica delle particelle.
LHC ha permesso agli scienziati di scoprire il bosone di Higgs, l’ultimo pezzo mancante del modello. Tuttavia, la teoria è ancora lontana dall’essere completamente compresa.
Una delle sue caratteristiche più complesse è la descrizione della forza forte che tiene insieme il nucleo atomico.
Il nucleo è composto da protoni e neutroni, che a loro volta sono composti ciascuno da tre particelle chiamate quark (ci sono sei diversi tipi di quark: su, giù, charme, strano, alto e basso ma i protoni e i neutroni sono composti da triplette di due quark alto – basso).
Se la forza forte venisse a mancare, tutta la materia si disintegrerebbe in una zuppa di quark, uno stato simile all’istante iniziale dell’universo.
La teoria dell’interazione forte chiamata “cromodinamica quantistica” ha basi molto solide.
come i quark interagiscono attraverso la forza forte scambiandosi particelle chiamate gluoni, che è la particella che trasporta l’interazione forte e che funge da collante tra i quark.
I gluoni, responsabili della forza forte interagiscono con i quark in maniera molto diversa dall’elettromagnetismo. Quando due particelle cariche si allontanano, la forza elettromagnetica si indebolisce, mentre quando due quark si allontanano la forza forte aumenta.
Questo comportamento fa si che i quark si combinino strettamente in coppie o triplette che formano le particelle dette “adroni” alle quali appartengono anche i protoni e i neutroni.
I quark possono esistere all’esterno di un nucleo atomico solo se in possesso di sufficiente energia e questa energia può derivare dalle collisioni a velocità relativistiche subite dai nuclei atomici accelerati all’interno di macchine come LHC.
Complicazioni nella scoperta di nuove particelle subatomiche
Le cose si complicano ulteriormente in quanto il modello standard delle particelle prevede l’esistenza delle “antiparticelle” identiche alle particelle, ma con carica opposta.
Quando si strappa un quark da un protone, la forza sarà abbastanza forte da creare una coppia quark-antiquark, con il quark appena creato che entra nel protone.
La reazione produce un protone e un “mesone”, una particella composta da un quark e un antiquark. Questo può sembrare strano ma secondo la meccanica quantistica, che governa l’universo sulla scala più piccola, le particelle possono emergere dal vuoto.
La “creazione” dal vuoto di coppie di particelle e antiparticelle è stato ampiamente dimostrato, le particelle, non emergono dal vuoto mai da sole, non è mai stato osservato un singolo quark.
Una caratteristica spiacevole della teoria della forza forte è che i calcoli di quello che sarebbe un semplice processo nell’elettromagnetismo possono essere incredibilmente complicati.
Pertanto non possiamo (ancora) provare teoricamente che i quark non possano esistere da soli, e non possiamo nemmeno calcolare quali combinazioni di quark sarebbero vitali in natura e quali no.
Quando i quark furono scoperti gli scienziati capirono che in teoria dovrebbero essere possibili diverse combinazioni.
Ciò includeva coppie di quark e antiquark (mesoni); tre quark (barioni); tre antiquark (antibaryons); due quark e due antiquark (tetraquark); e quattro quark e un antiquark (pentaquark) – purché il numero di quark meno gli antiquark in ciascuna combinazione fosse un multiplo di tre.
La scoperta di nuove particelle subatomiche
Per anni, durante gli esperimenti sono tati osservati solo barioni e mesoni. Ma nel 2003, l’esperimento di Belle in Giappone ha scoperto una particella che non si adattava a nulla di noto. Si è rivelato essere il primo di una lunga serie di tetraquark.
La scoperta di nuove particelle subatomiche
Nel 2015, l’esperimento LHCb ha scoperto due pentaquark .
Le quattro nuove particelle subatomiche scoperte di recente sono tutte tetraquark formate da una coppia di quark charm e altri due quark. Queste nuove particelle subatomiche non sono però “fondamentali” solo i quark e gli elettroni sono i veri mattoni che compongono la materia.
LHC ha scoperto 59 nuovi adroni da quando è stato acceso. Questi includono i tetraquark scoperti più di recente, ma anche nuovi mesoni e barioni. Tutte queste nuove particelle contengono quark pesanti come “charme” e “bottom”.
Gli adroni sono interessanti, spiegano ciò che la natura considera accettabile come combinazione. Spiegano anche cosa non piace alla natura.
Ad esempio, perché tutti i tetra e i pentaquark contengono una coppia di quark charm (con una sola eccezione)? E perché non ci sono particelle corrispondenti con coppie di quark strani? Al momento non esistono spiegazioni.
Un altro mistero è come queste particelle siano legate insieme dalla forza forte. Alcuni teorici li considerano oggetti compatti, come il protone o il neutrone. Secondo altri invece sono simili a “molecole” formate da due adroni legati.
Ogni adrone trovato di recente consente agli esperimenti di misurarne la massa e altre proprietà , che spiegano in parte come si comporta la forza forte.
Questo permette di colmare il divario tra esperimento e teoria. Più adroni vengono scoperti, meglio vengono sintonizzati i modelli sperimentali.
Questi modelli sono fondamentali per trovare nuova fisica che vada oltre il modello standard. Nonostante i successi, il modello standard non in grado di spiegare tutte le particelle e non è inoltre coerente con i modelli che spiegano l’evoluzione dell’universo.
LHC è alla ricerca di nuove particelle subatomiche fondamentali che potrebbero spiegare le discrepanze. Queste particelle potrebbero essere visibili a LHC ma nascoste sullo sfondo delle interazioni tra le particelle. Oppure potrebbero presentarsi come piccoli effetti meccanici quantistici in processi noti.
In entrambi i casi, è necessaria una migliore comprensione della forza forte per trovarli. Ogni nuovo adrone trovato, migliora la conoscenza delle leggi della natura, che conduce a una migliore descrizione delle proprietà fondamentali della materia.
