Il modello dei quark è stata una vera rivoluzione intellettuale per la fisica. I fisici hanno dovuto affrontare un numero sempre crescente di particelle instabili, che sembrava non avessero alcun ruolo ben definito nell’Universo che ci circonda. Il modello dei quark ha razionalizzato tutto ciò, attraverso un semplice insieme di regole, che hanno racchiuso queste particelle in combinazioni di tre o quattro quark.
Se da una parte lo schema di questo modello sembra semplice, le regole attraverso le quali i gluoni tengono insieme i quark sono abbastanza complesse, e non sempre se ne conoscono i limiti. Vi sono delle ragioni per cui le particelle si possono combinare solo in configurazioni di tre quark?
Grazie all’avvento dei nuovi, e più potenti, acceleratori di particelle, sono stati effettuati degli esperimenti nei quali le particelle sembrano essere costituite dalla combinazione di quatto, o addirittura cinque, quark. Ma rimangono sempre delle domande aperte sulla natura delle interazioni di queste particelle. Recentemente, presso il CERN di Ginevra è stata rinvenuta una nuova aggiunta alla crescente famiglia dei quadriquark, particelle formate da due quark charm e due quark anti-charm.
Le più note particelle costituite da quark, il protone e il neutrone, sono costituite da tre dei quark più leggeri, tenuti insieme dai gluoni. Sono state scoperte delle versioni un po’ più pesanti di queste particelle, dove uno dei quark up o down è sostituito da un quark più pesante, della categoria strange o bottom. Inoltre, esiste un ampio insieme di particelle instabili, chiamate mesoni, che coinvolgono due quark di masse diverse, anch’esse tenute insieme da gluoni.
Non si hanno ancora delle certezze su cosa succeda quando si cerca di utilizzare più quark nella formazione delle particelle. Le possibilità sono al momento due. In un caso, si ipotizza che le nuove particelle con un numero più alto di quark, abbiano la stessa costituzione di quelle finora studiate: i gluoni legano insieme questi quark in una sola particella. La seconda ipotesi prevede che il numero più alto di quark sia il risultato dell’aggregazione di due particelle note. Quindi, un quadriquark potrebbe semplicemente essere una stretta associazione di una coppia di particelle a due quark. Un pentaquark invece potrebbe essere il risultato dell’aggregazione di un mesone a due quark con una particella a tre quark.
Sfortunatamente, finora è risultato molto difficile distinguere nettamente queste due opzioni. Queste particelle formate da più quark tendono a decadere molto più velocemente rispetto alle particelle note, e, per il momento, gli strumenti disponibili permettono di rintracciare solo il decadimento di queste ultime. E quindi, risultati più certi si possono raggiungere solo trovando più strade per esplorare questi fenomeni. Queste osservazioni hanno condotto agli ultimi risultati raggiunti al CERN, dove un gruppo di scienziati ha approfondito l’analisi dei dati delle prime sperimentazioni condotte sull’LHC (Large Hadron Collider). Questi dati infatti provengono dall’esperimento LHCb, un rilevatore specializzato in particelle contenenti quark pesanti di tipo bottom o beauty; ma capace anche di captare quark più pesanti. E la nuova particella trovata possiede diversi quark più pesanti.
Tutte le particelle costituite da un numero superiore di quark, trovate finora, sono formate da quark up e down più leggeri, con all’interno una coppia di loro omologhi più pesanti. Ma l’obiettivo dei ricercatori del CERN era quello di cercare quelle combinazioni in cui tutti i quark fossero charm o anti-charm. I quark charm appartengono a una classe media di quark: i quark charm e strange sono più pesanti dei quark up o down, ma molto più leggeri dei quark top o bottom.
Come si potrebbe trovare qualcosa del genere? Una particella a quattro charm dovrebbe decadere attraverso uno stato intermedio, che comprende una coppia di particelle a due charm, nota come particella J/ψ. (Due gruppi di ricerca diversi hanno trovato questa particella più o meno nello stesso periodo, e i nomi da loro assegnati sono rimasti inalterati). Dal momento che si conosce il decadimento delle particelle J/ψ, la ricerca si può focalizzare sulle coppie di decadimento che scaturiscono da una singola collisione protone-protone.
Il decadimento delle particelle J/ψ può, a sua volta, essere riconosciuto dalla comparsa di una coppia muone-antimuone che si origina in un punto di collisione. (I muoni possono essere considerati come i cugini più pesanti e instabili degli elettroni). Dato che devono esserci due particelle J/ψ, è necessario cercare le tracce delle due coppie di muoni che si formano dopo una collisione.
Quindi, i ricercatori hanno analizzato un intervallo di energie per un eccesso di questi eventi. E hanno trovato che, per una delle particelle a quattro charm, l’intervallo di energia si trova a cinque deviazioni standard dal rumore di fondo atteso, in accordo con le previsioni standard previste dalla fisica delle particelle.
La nuova particella, alla quale ancora non è stato dato un nome, è la prima con più di tre quark, composta interamente da un solo tipo di quark, così come risulta essere la prima particella composta interamente da quark più pesanti. E, poiché il quark specifico è chiamato charm, la sua esistenza apre ampie possibilità per l’assegnazione del nome – e ciò senza entrare nel fatto che il termine tecnico per l’intera famiglia di questo tipo di particelle è charmonium.
Ancora però rimane senza risposta la questione sulla natura di questa nuova particella. Non è ancora ben chiaro se si tratta di due particelle J/ψ aggregate o se invece è una singola particella composta da quattro quark charme. Rispondere a questa domanda potrebbe fornire delle informazioni sulla forza forte che governa tutte le interazioni quark-gluoni.
In definitiva, maggiore è il numero di particelle che viene studiato, più ampie sono le possibilità di riuscire a determinare i dettagli su come esse siano costituite. Così, se da una parte l’ideale sarebbe stato che questa particelle potesse fornire una risposta immediata alla domanda lasciata in sospeso, dall’altra la sua scoperta comunque rappresenta un passo avanti verso la soluzione del problema.
