Due nuove particelle composte di tipi esotici di quark sono apparse all'interno del Large Hadron Collider (LHC) del CERN, vicino Ginevra. Le particelle fanno parte di una specie mai vista prima di barioni, una categoria di particelle che include anche i familiari protoni e neutroni all'interno degli atomi. L'esistenza di nuovi barioni era prevista da tempo, ma le loro caratteristiche specifiche, come la massa, erano sconosciute fino a quando non sono stati scoperti “in carne e ossa”. Le nuove misurazioni confermano e perfezionano la teoria esistente delle particelle subatomiche e contribuiscono ad aprire la strada a una teoria più ampia che possa includere particelle ancora più esotiche.

Gli scienziati dell'esperimento Large Hadron Collider beauty (LHCb) hanno riferito la scoperta dei barioni - chiamati Xi_b' e Xi_b* (da pronunciare "csi-b-prime" e "csi-b-star") – sul numero del 10 febbraio delle “Physical Review Letters”.  (A novembre avevano inserito una versione preliminare dell'articolo sul server arXiv.) "Si tratta di due cose che dovevano davvero esistere", dice Matthew Charles dell'Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 e uno degli autori dello studio. "Naturalmente, va tutto comunque controllato, perché a volte si ha qualche sorpresa." Entrambe le particelle contengono un quark beauty, o b, un quark strange e un quark down. Ciò che differenzia queste particelle l'una dall'altra, e da un altro insieme dei tre stessi tipi di quark precedentemente trovato all'LHC, è la disposizione degli spin dei quark.

Rotazione

quantistica
Lo spin è una delle caratteristiche quantistiche fondamentali intrinseche a qualsiasi particella, ed è espressa in quantità discrete adimensionali. Tutti i quark hanno spin un mezzo (1/2). Quando due quark nella stessa particella ruotano nella stessa direzione, i loro spin si sommano; quando ruotano in direzioni opposte, i loro spin si annullano. Gli spin sono un po' come magneti che si respingono, così i quark preferiscono girare in direzioni opposte. È necessaria energia supplementare per allineare due quark in modo che girino nella stessa direzione. La configurazione di energia più bassa per una particella Xi_b è quella con i due quark leggeri (down e strange) antiallineati, con i loro spin che si annullano, e il massiccio quark b che ruota in una delle due direzioni, che aggiunge un altro spin un mezzo, in modo che lo spin complessivo della particella è un mezzo. Questo stato fondamentale, chiamato Xi_b*°, è stato trovato dell'LHC nel 2012.

I due nuovi barioni trovati sono configurazioni ad alta energia. Entrambi hanno i due quark più leggeri che ruotano in modo parallelo, così da aggiungere 1 allo spin complessivo. In Xi_b' lo spin del quark b è opposto a quello degli altri due, così che lo spin totale della particella è un mezzo (da 1 meno un mezzo). In Xi_b* lo spin di tutti e tre i quark è allineato, quindi lo spin totale è 1 e mezzo. Questo triplo allineamento richiede più energia di qualsiasi altra configurazione, quindi Xi_b* è il più pesante dei tre stati.

Prima che le particelle fossero scoperte, i fisici avevano stimato le loro masse sulla base di una teoria chiamata cromodinamica quantistica (QCD), che descrive la forza forte - una delle quattro forze fondamentali della natura - responsabile del legame fra i quark. La forza forte è portata da particelle chiamate gluoni; quindi all'interno di ogni particella tenuta insieme dalla forza forte ci saranno anche gluoni. E in aggiunta alle coppie principali di quark e gluoni, continuano a comparire e scomparire coppie "virtuali" di quark e antiquark (la controparte di antimateria dei quark). Questo zoo di particelle rende incredibilmente difficili i calcoli basati sulla QCD, al punto che le stime della massa possono essere ottenute solo usando potenti supercomputer che eseguono simulazioni complesse che mirano a considerare tutti i componenti della particella.

"Il linea di principio disponiamo di una teoria che ci dice come dovrebbero comportarsi queste particelle e che quindi dovrebbe spalancarci nuove porte. Ma in pratica, la nostra capacità di calcolo è limitata", dice Frank Wilczek, il fisico teorico del Massachusetts Institute of Technology che ha vinto il premio Nobel per i suoi contributi alla formulazione della QCD.

Le nuove misurazioni effettuate nell'esperimento LHCb concordano con le migliori previsioni della QCD sulle masse delle Xi_b. "Questo conferma che l'approccio teorico è corretto e che abbiamo il calcolo sotto controllo", afferma Richard Woloshyn, fisico teorico del laboratorio di fisica delle particelle canadese TRIUMF, che nel 2009 ha pubblicato una previsione delle masse delle Xi_b. Le misure serviranno come nuovi punti di ancoraggio sperimentale della teoria. "Abbiamo bisogno di un maggior numero di esempi per testare i metodi computazionali e per esplorare ciò che i diversi metodi possono insegnarci", dice Wilczek. "Questo sistema ci permetterà di migliorare quelle tecniche."

Test del modello standard
Finora, i barioni scoperti si comportano secondo la QCD e il più ampio "modello standard" della fisica, che descrive tutte le particelle note dell'universo. Eppure gli scienziati sanno che il modello standard non può essere l'ultima parola, perché non tiene conto della materia oscura, quella materia invisibile che nel cosmo sembra sovrastare di gran lunga la materia ordinaria. Con misurazioni sempre più precise di tutte le previsioni del modello standard, i ricercatori sperano alla fine di trovare crepe che portino sulla strada di una teoria più comprensiva che lo sostituisca. "Queste due particelle erano attese e sono perfettamente in linea con il modello", dice Charles. "Ma abbiamo la speranza di poter costruire su di esse un percorso di lungo periodo che ci porti oltre il modello standard."

Le particelle Xi_b, come tutte le nuove specie scoperte all'LHC (tra cui il famoso bosone di Higgs), emergono in seguito a collisioni tra protoni accelerati all'interno dell'anello sotterraneo di 27 chilometri dell'acceleratore. Quando i protoni si disintegrano, la loro massa e la loro energia vengono convertite in nuove particelle. Quanto più elevata è l'energia di una collisione, tanto più massicce possono essere le particelle che compaiono. Questa primavera, dopo una pausa di due anni per gli aggiornamenti, l'LHC raggiungerà energie più elevate rispetto al passato. Queste energie più elevate dovrebbero permettere l'apparizione di più particelle e di particelle più pesanti rispetto a quelle precedentemente create a energie più basse, potenzialmente rivelando particelle esotiche che finalmente superino i limiti del modello standard.

(La versione originale di questo articolo è apparsa il 12 febbraio su scientificamerican.com. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati)