I fisici rilevano una nuova particella: la “palla di colla”

Una palla di colla è una previsione insolita e non confermata del Modello Standard, che suggerisce l'esistenza di stati legati propri dei gluoni

I fisici hanno scoperto una “palla di colla”, una sfuggente particella mai vista prima ma prevista dal Modello Standard della fisica delle particelle.

  • A livello fondamentale, la materia che conosciamo è in gran parte composta da quark, come i quark up e down, che compongono protoni e neutroni: le particelle al centro del nucleo di ogni atomo.
  • Quark e gluoni, operando sotto la forza forte e le regole della cromodinamica quantistica, costituiscono tutti gli adroni, barioni e mesoni conosciuti, fornendoci un vasto spettro di stati delle particelle.
  • Ma, in teoria, dovrebbe esserci un altro tipo di stato legato mai osservato prima: le palle di colla, che sono particelle composite prive di quark fatte solo di gluoni legati tra loro. Potremmo aver trovato il primo.

Il Modello Standard della fisica delle particelle

Quando si parla del Modello Standard della fisica delle particelle, la maggior parte delle persone presuppone erroneamente che sia noto, che sia corretto e che non ci siano più domande aperte sulla sua validità. Sebbene il Modello Standard abbia certamente resistito a tutte le sfide che gli sono state lanciate attraverso esperimenti di rilevamento diretto, ci sono ancora tutta una serie di domande a cui deve ancora essere data risposta.

La materia è composta da atomi, che sono fatti di protoni, neutroni ed elettroni, e dove i protoni e i neutroni sono costituiti da tre quark ciascuno, tutti tenuti insieme dai gluoni attraverso l’interazione forte che, però, non è l’unico modo possibile per avere stati legati della materia.

In teoria, almeno secondo la cromodinamica quantistica (la teoria della forza nucleare forte), dovrebbero esserci diversi modi per creare uno stato legato solo di quark, antiquark e/o gluoni.

  • Puoi avere barioni (con 3 quark ciascuno) o antibarioni (con 3 antiquark ciascuno).
  • Puoi avere mesoni (con una coppia quark-antiquark).
  • Puoi avere stati esotici come tetraquark (2 quark e 2 antiquark), pentaquark (4 quark e 1 antiquark o 1 quark e 4 antiquark), o esaquark (6 quark, 3 quark e 3 antiquark, o 6 antiquark), ecc.
  • Oppure si possono anche avere stati costituiti solo da gluoni – senza quark o antiquark di valenza – noti come “palle di colla o glueball”.

In un nuovo articolo appena pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, la collaborazione BES III ha annunciato che una particella esotica, precedentemente identificata come X(2370)potrebbe effettivamente essere la palla di colla prevista dal Modello Standard.

Una composizione astratta digitale con linee bianche dinamiche e vortici su sfondo nero, che incorpora alcune forme rettangolari blu che sembrano scomparire come antimateria.
Tracce della camera a bolle del Fermilab, che rivelano la carica, la massa, l’energia e la quantità di moto delle particelle e delle antiparticelle create. Anche se possiamo ricostruire cosa è successo nel punto di collisione per ogni singolo evento, abbiamo bisogno di un gran numero di statistiche per costruire prove sufficienti per sostenere l’esistenza di qualsiasi nuova specie di particelle. – Credito: Fermi National Accelerator Laboratory / DOE / NSF

Per trovare una particella nel mondo della fisica delle alte energie, non è sufficiente crearla semplicemente in laboratorio e costruire un rilevatore attorno ad essa, osservando i prodotti del decadimento e determinando cosa è successo nel momento della creazione della particella. Il problema di questo approccio è che, in un universo quantistico, raramente esiste un unico risultato definitivo che si possa prevedere sulla base di una serie di condizioni iniziali date.

Invece, è possibile solo prevedere le probabilità di un’ampia varietà di risultati che ci si aspetta si verifichino, e quindi sono necessarie molte osservazioni ripetute per determinare se le previsioni teoriche sono in linea o in conflitto con ciò che si osserva.

Ciò diventa particolarmente importante quando si cerca qualcosa che dovrebbe esistere o verificarsi all’interno del Modello Standard, ma solo in condizioni o circostanze rare e possibilmente speciali. Ogni particella instabile, sia fondamentale che composita, ha una serie di decadimenti che le è consentito sperimentare e una frequenza per ciascun percorso di decadimento nota come rapporti di ramificazione.

Mentre normalmente pensiamo che la creazione di particelle avvenga solo se si dispone di energia sufficiente per ricavarla dall’energia, tramite la famosa formula E = mc² di Einstein, la realtà è che molte particelle composite possono essere rilevate solo dalle impronte lasciate quando altre particelle conosciute vengono create in grandi numeri, per poi decadere.

colore del modello standard
Le particelle e le antiparticelle del Modello Standard sono state ora tutte rilevate direttamente, con l’ultimo ostacolo, il bosone di Higgs, caduto all’LHC nel 2012. Oggi solo i gluoni e i fotoni sono privi di massa; tutto il resto ha massa a riposo diversa da zero. Solo i quark e i gluoni si accoppiano alla forza forte e sperimentano le interazioni QCD. – Credito : E. Siegel/Oltre la galassia

Nel corso del XX secolo sono stati scoperti vari elementi del Modello Standard. Abbiamo scoperto che gli atomi sono composti da nuclei ed elettroni, e poi che i nuclei atomici stessi sono fatti di particelle ancora più piccole: protoni e neutroni, ulteriormente divisibili in quark e gluoni. Ben presto fu stabilito che non esistono solo due tipi di quark – i sapori up e down – ma anche tipi più pesanti, esotici e di breve durata.

  • La prima particella che contiene un quark strange, il kaone, fu scoperta nel 1947, ma la spiegazione (inclusa l’esistenza del quark strange) fu trovata solo nel 1964.
  • La prima scoperta di un quark charm avvenne nel 1974, quando una particella conosciuta come J/ψ fu scoperta da due gruppi indipendenti: il gruppo di Samuel Ting a Brookhaven (che la chiamò “J” in suo onore, poiché il carattere cinese di Ting è) e il team di Burton Richter presso SLAC (che lo chiamò “ψ” in linea con altre convenzioni nella fisica delle particelle).
  • Il quark bottom fu scoperto subito dopo, nel 1977, e il sesto e ultimo quark previsto dal Modello Standard, il quark top, fu individuato nel 1995.

Tutte le particelle composte da uno qualsiasi di questi quark (o antiquark) più pesanti ed esotici sono fondamentalmente instabili e non solo devono decadere, ma decadere attraverso le interazioni deboli per cambiare la specie dei quark costituenti al loro interno. Tutte le particelle che contengono un quark strange, charm, bottom o top non possono rimanere stabili a lungo; in una piccola frazione di secondo, decadono e cambiano specie, trasformandosi nuovamente in particelle a bassa energia, più leggere e più stabili.

decadimento del kaone
Quando il kaone neutro (contenente un quark strange) decade, generalmente si ha la produzione netta di due o tre pioni. Sono necessarie simulazioni al supercomputer per capire se il livello di violazione di CP, osservato per la prima volta in questi decadimenti, è in accordo o in disaccordo con le previsioni del Modello Standard. Con l’eccezione solo di poche particelle e combinazioni di particelle, quasi tutti gli insiemi di particelle nell’Universo sono instabili e, se non si annichilano, decadranno in breve tempo. Credito : Laboratorio nazionale di Brookhaven

Ci sono anche delle regole che devono essere seguite affinché possa esistere qualsiasi tipo di particella composita: l’insieme completo delle regole quantistiche che governano l’Universo.

  • L’energia deve essere conservata, il che significa che se desideri creare una particella,  inizialmente devi avere abbastanza energia disponibile (tramite E = mc² di Einstein) affinché quella particella possa essere creata.
  • Anche la carica elettrica, il momento angolare, il momento lineare e altre proprietà quantistiche devono essere conservate: si possono creare solo particelle (o coppie particella-antiparticella) che non violano queste leggi di conservazione.
  • Le regole sullo spin, o sul momento angolare intrinseco di queste particelle, devono essere rispettate, compresi i percorsi di decadimento delle particelle madri in particelle figlie.
  • Se hai un’entità contenente quark e gluoni, che sono le uniche particelle che sperimentano la forza nucleare forte, puoi solo creare una combinazione “incolore” di queste particelle, anche per un istante, se vuoi che esistano.

La forza nucleare forte

Le regole sulla forza nucleare forte e sul colore sono un po’ più complicate delle teorie con un solo tipo di carica (positiva e attrattiva, come la gravità) o due tipi di carica (positiva e negativa, dove cariche simili si respingono e cariche opposte si attraggono come nell’elettromagnetismo) e coinvolgono tre tipi fondamentali di carica – la carica di colore – che sono tutti correlati. Sebbene ogni quark abbia un colore, ogni antiquark abbia un anticolore e ogni gluone porti una combinazione colore-anticolore, gli stati legati che esistono devono essere tutti veramente incolori.

campi qcd colore anticolore
Le combinazioni di tre quark (RGB) o tre antiquark (CMY) sono incolori, così come le combinazioni appropriate di coppie quark/antiquark. Gli scambi di gluoni che mantengono stabili queste entità sono piuttosto complicati, ma richiedono otto, non nove, gluoni. Le particelle con una carica di colore netta sono vietate nelle interazioni forti. – Credito : Maschen/Wikimedia Commons

Questo ci lascia con un numero enorme di possibili combinazioni per creare stati legati incolori.

  • Puoi avere una combinazione colore-anticolore, come una coppia quark-antiquark, per formare un mesone.
  • Puoi avere una combinazione colore-colore-colore o anticolore-anticolore-anticolore, come tre quark o tre antiquark, per creare un barione o un antibarione.
  • Puoi avere più combinazioni di una o entrambe le due opzioni sopra indicate per mantenere comunque uno stato incolore; fintanto che ci sono numeri uguali di particelle “colorate” e “anticolori”, o che c’è un eccesso di un tipo rispetto all’altro in multipli di tre, puoi avere un’entità incolore, inclusi tetraquark, pentaquark, esaquark o numeri maggiori di quark.
  • Oppure puoi avere qualcosa che è fatto esclusivamente di gluoni – le particelle che portano intrinsecamente una combinazione colore-anticolore – senza quark o antiquark, tranne quelli che sorgono internamente come conseguenza del campo dei gluoni.

Quest’ultima possibilità è raramente discussa nella fisica delle particelle, perché l’entità risultante – una palla di colla – non solo non era mai stata rilevata, ma calcolare le proprietà attese delle palle di colla era un compito troppo arduo per i fisici del 20° secolo.

Ora, nel 21° secolo, possiamo fare questi calcoli. La differenza è che, nel 20° secolo, l’unica tecnica affidabile che avevamo per calcolare le proprietà dei sistemi quantistici era quella perturbativa: dove si calcolano termini di interazione progressivamente sempre più complessi per ottenere risposte progressivamente sempre più accurate. Questo approccio, che ha avuto così tanto successo per l’elettrodinamica quantistica (dove la forza di interazione diminuisce a distanze maggiori e ha una piccola costante di accoppiamento a basse energie), fallisce in modo spettacolare per la cromodinamica quantistica, poiché la forza forte diventa maggiore all’aumentare delle distanze e la sua costante di accoppiamento è grande.

Tuttavia, con l’avvento del calcolo ad alte prestazioni è arrivata una nuova tecnica: la tecnica del Lattice QCD. Trattando lo spaziotempo come una griglia discreta con una spaziatura intrinseca molto piccola, possiamo fare previsioni per fenomeni su larga scala: il confinamento degli stati legati della QCD, le condizioni in cui dovrebbe formarsi un plasma di quark e gluoni e persino una previsione per le masse di vari stati legati, inclusi non solo il protone e il neutrone, ma anche stati legati pesanti ed esotici.

In altre parole, mentre negli anni ’90 non potevamo calcolare l’insieme completo delle proprietà attese di tetraquark, pentaquark e palle di colla, oggi possiamo eseguire questi calcoli fino alla precisione con solo una piccola percentuale di incertezza.

Illustrazione di tre particelle subatomiche: mesone con due quark, barione con tre quark e un'ipotetica particella collante con anelli di interconnessione.
I gluoni non sono semplicemente le particelle che legano insieme i quark; potrebbero anche essere particelle che si legano insieme in un globo privo di quark noto come palla di colla. Lo stato più leggero della sfera di colla potrebbe essere rivelato dai decadimenti delle particelle create nei collisori elettrone-positrone. – Crediti : Università di Glasgow/BNL

Teoricamente, queste previsioni ora ne includono una per la palla di colla più leggera: dovrebbe essere un mesone pseudoscalare, con spin totale 0, nessuna carica elettrica e con parità dispari, e con una massa a riposo compresa tra 2,3 e 2,6 GeV/c². Se vuoi provare a creare sperimentalmente questa palla di colla, la soluzione migliore è creare una particella composita la cui massa sia leggermente maggiore di questo valore ma il cui decadimento produca molti gluoni e adroni: un luogo ideale per la ricerca della palla di colla.

A causa della facilità con cui è prodotta con la tecnologia moderna e poiché ha proprio queste proprietà, il decadimento della particella J/ψ è generalmente considerato un ottimo posto in cui cercare questi potenziali stati di palla di colla.

La palla di colla

Ogni volta che viene creata una particella J/ψ, c’è una probabilità del 26% circa che decada in un fotone (che può poi decadere in particelle contenenti quark o coppie leptone-antileptone), e una probabilità del 64% circa che decada in tre particelle. gluoni e circa il 9% di probabilità che decada in un fotone e due gluoni. Anche se la maggior parte dei decadimenti sono banali e ben compresi, un piccolo contributo da parte della sfera di colla più leggera potrebbe contribuire ad alcuni di questi canali di decadimento. In particolare, se una particella J/ψ decade in:

una risonanza della η′ con la coppia kaone/pione potrebbe apparire nei dati se corrisponde allo stato di colla più leggera.

La più grande “fabbrica” mai costruita per studiare la particella J/ψ si trova a Pechino nel collisore di elettroni-positroni noto come Spettrometro di Pechino III (BES III), che ha iniziato a raccogliere dati nella sua forma moderna nel 2008.

In un solo anno, BES III ha accumulato circa 226 milioni di eventi che hanno creato particelle J/ψ e, alla fine del 2023, quel numero cumulativo ora supera i 10 miliardi di particelle J/ψ. Pertanto, ora è possibile sondare anche gli eventi rari e le risonanze che emergono da questi decadimenti. Sono stati scoperti anche alcuni stati esotici: una classe di particelle note come mesoni XYZ, che ora sappiamo includere stati esotici come i tetraquark.

Tutto sommato, con i dati raccolti presso BES III, possono annunciare la prova definitiva di una nuova particella composita nota come X (2370), con:

  • una massa di 2.395 GeV/c² ,
  • spin 0,
  • una frazione di ramificazione di circa 0,000013 [il che significa che circa 1 su 76.000 particelle J/ψ decade in qualcosa che include un X(2370)],
  • e ciò appare con una significatività statistica cumulativa di ben 11,7-σ.

Nella fisica delle particelle, un risultato che appare con una significatività superiore a 5-σ ha solo una probabilità dello 0,00006% di essere un colpo di fortuna statistico e qualsiasi risultato più significativo di quello supera il “gold standard” per annunciare una scoperta in buona fede.

Sebbene la particella fosse stata inizialmente annunciata come di 2,370 GeV/c² , motivo per cui è conosciuta come X(2370), gli ultimi risultati sperimentali indicano che la sua massa è più accuratamente 2,395 GeV/c² , con un’incertezza sperimentale di 0,011 GeV/ c². Nel frattempo, gli ultimi risultati teorici della Lattice QCD, pubblicati nel 2019, prevedevano una massa di 2,395 ± 0,014 GeV/c² , il che mostra uno spettacolare accordo tra esperimento e teoria. Questa particella, la X(2370), esiste e le sue proprietà vengono misurate meglio che mai, e questo ultimo studio è il primo a misurare i numeri quantici del suo spin e della sua parità.

Sebbene tutto ciò sia coerente con il fatto che questa particella sia la prima palla di colla mai rilevata, ci sono ancora motivi per essere cauti. Per prima cosa, sono stati scoperti altri mesoni X, e sono semplici risonanze che coinvolgono combinazioni di quark e antiquark piuttosto che palle di colla.

In secondo luogo, il tasso di produzione dell’X(2370) osservato dai decadimenti J/ψ è un po’ troppo alto per essere coerente con l’interpretazione della palla di colla, sebbene tale interpretazione sia ancora in fase di revisione. E infine, la parità negativa misurata per X(2370) è coerente con il fatto che si tratta di un mesone pseudoscalare invece che di un mesone scalare ma ciò stabilisce solo una coerenza con l’interpretazione della palla di colla: non è una prova evidente che si tratti effettivamente di una palla di colla.

Diagramma che illustra le interazioni delle particelle nella meccanica quantistica, mostrando il decadimento di j/ψ nella particella di colla x (2370) e η', comprese le rappresentazioni dei quark e gli scambi di gluoni.
Il sistema J/ψ può decadere in un fotone e due gluoni, dove i due gluoni possono poi combinarsi per creare temporaneamente una particella esotica X(2370). Anche se la sua natura non è ancora certa al 100%, l’interpretazione della X(2370) come una palla di colla rimane convincente e, se così fosse, sarebbe la prima particella di palla di colla mai rivelata da un esperimento. Credito : Twitter

La grande domanda al centro di questo studio è se le palle di colla esistano o meno, come previsto dal Modello Standard e dalla teoria della QCD, e se le osservazioni dell’X(2370) siano sufficienti per stabilire che sia uno stato palla di colla. Questi ultimi risultati – i più forti e robusti della storia – supportano l’interpretazione dell’X(2370) come un potenziale stato “palla di colla” e ci portano un passo avanti verso la messa alla prova critica di questo aspetto chiave del Modello Standard.

Tuttavia, finché non si troverà una risposta sufficiente alle domande sul suo tasso di produzione e sui rapporti di ramificazione, dobbiamo rimanere di mentalità aperta al fatto che questo potrebbe essere solo un altro stato “esotico”, come un tetraquark, che non è composto esclusivamente da gluoni.

Tuttavia, con la produzione di molte centinaia di migliaia di particelle X(2370) come risultato del decadimento di oltre 10 miliardi di particelle J/ψ, ora abbiamo misurato più proprietà che mai di questa particella esotica. Ora è il candidato più convincente e interessante per una palla di colla: una specie di particella composita che dovrebbe esistere ma che non è mai stata vista prima.

C’è ancora molto lavoro da fare per determinare la natura completa della particella X(2370), ma questa è la prova più forte dell’esistenza di una palla di colla mai presentata al mondo. Se in tutta la natura non esistono palle di colla, allora c’è qualcosa di nuovo che non va nel Modello Standard. Se le palle di colla esistono, tuttavia, la X(2370) potrebbe essere la prima palla di colla rivelata all’umanità.

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