La collaborazione internazionale dell’esperimento LHCb che opera all’acceleratore LHC del Cern di Ginevra ha pubblicato oggi, 1° luglio, uno studio che riporta la prima osservazione di una particella composta da quattro quark charm.

Il risultato ha visto un ruolo assolutamente centrale del gruppo Istituto Nazionale di Fisica Nucleare di Firenze, che ha avuto sin dall’inizio la responsabilità di portare avanti l’analisi dei dati in tutti i suoi dettagli.

Si tratta di un fondamentale passo in avanti nella comprensione di come i quark si leghino, tramite interazioni nucleari forti, all’interno di quelle particelle composte, note come adroni, alla cui famiglia appartengono anche i protoni e i neutroni, costituenti dei nuclei atomici.

Nei casi comuni, i quark si legano in coppie (mesoni) o tripletti (barioni), ma l’esistenza di particelle più complesse costituite da quattro quark (tetraquark), cinque quark (pentaquark) o più non è, in linea di principio, proibita dalla teoria, sebbene siano stati necessari decenni di ricerche per poterne identificare pochi esempi.

L’esperimento LHCb aveva già confermato l’esistenza di queste particelle “esotiche” e osservato per la prima volta nel 2015 un pentaquark. Questa classe di particelle costituisce un campo di ricerca ideale per comprendere più a fondo il funzionamento della forza nucleare forte, l’interazione fondamentale che tiene assieme i nuclei degli atomi.

“Particelle fatte da quattro o più quark sono note già da tempo e sono comunemente definite esotiche - spiega Giovanni Passaleva, responsabile internazionale di LHCb -. Quella che abbiamo scoperto ora con i dati del nostro esperimento è tuttavia speciale perché è composta da quattro quark pesanti, due quark charm e due quark anticharm, rappresentando un banco di prova privilegiato per lo sviluppo di modelli teorici delle interazioni forti”.

Il risultato

“Questo lavoro nasce da una collaborazione fra la Sezione INFN di Firenze e l’Università Tsinghua di Pechino, e ha avuto come protagonista una giovane ricercatrice cinese, Liupan An, che ha scelto il nostro gruppo per una specializzazione post-dottorato, grazie a una borsa di studio bandita dall'INFN”, racconta Giacomo Graziani, ricercatore dell’INFN di Firenze e responsabile del gruppo locale LHCb.

“Si parla spesso di fuga di cervelli, ma in questo caso la nostra ricerca ha saputo attrarre dall’estero una brillante ricercatrice” aggiunge Graziani.

“La misura delle proprietà della nuova particella consentirà di progredire nella comprensione delle interazioni forti, la cui teoria, la cromodinamica quantistica, è caratterizzata da equazioni estremamente  difficili da risolvere quando i quark sono legati all’interno delle particelle, rendendo molto difficoltoso predirne esistenza e caratteristiche”, spiega Liupan An.

“L’esistenza della particella – prosegue An – è stata appurata con un’elevata probabilità statistica, a più di 5 sigma, come si dice in gergo tecnico. Un puzzle ancora da risolvere riguarda la natura di questo tipo di particelle, in particolare se vanno intese come sistemi di quark strettamente legati tra di loro, oppure se hanno una struttura più simile a delle molecole”.

La collaborazione LHCb è arrivata a individuare l’esistenza di questa nuova particella analizzando tutta la grande mole di dati acquisiti dal proprio rivelatore nell’arco di svariati anni e prodotti dalle collisioni tra protoni ultra-energetici accelerati da LHC. 

“L’INFN è uno dei maggiori contributori al progetto, alla costruzione e alle operazioni del rivelatore, contando nella collaborazione più di un centinaio di ricercatori, tecnologi e tecnici”, chiosa Vincenzo Vagnoni, ricercatore dell’INFN di Bologna e responsabile nazionale dell’esperimento LHCb.

“Il nostro rivelatore sta ora subendo un’ulteriore trasformazione che lo condurrà a raggiungere nuovi traguardi nel futuro decennio, con potenziamenti che consentiranno di acquisire una quantità di dati molto maggiore rispetto a quanto sia stato possibile fino ad ora”, conclude Matteo Palutan, ricercatore INFN dei Laboratori Nazionali di Frascati e vice-responsabile internazionale di LHCb.

La nuova e inattesa scoperta aumenterà l’intensità degli studi teorici nel settore. Grazie ai miglioramenti del rivelatore, la collaborazione LHCb potrà portare nei prossimi anni ulteriori contributi alla ricerca in fisica fondamentale per migliorare la nostra conoscenza del mondo dell’infinitamente piccolo.

Che cos'è l'esperimento LHCb al CERN

LHCb è uno dei quattro principali esperimenti presso il Large Hadron Collider, il più grande e potente acceleratore di particelle mai costruito, attualmente in funzione al Cern, il più grande laboratorio al mondo di fisica delle particelle, a Ginevra, in Svizzera, dell'Organizzazione europea per la ricerca nucleare.

Tra gli obiettivi principali dell’esperimento c’è lo studio dei meccanismi che hanno portato, nell’Universo primordiale, a una piccola asimmetria tra materia e antimateria, originariamente prodotte in egual misura nel Big Bang.

Oggi si ritiene infatti che proprio tali meccanismi siano i responsabili del fatto che l’Universo attuale (pianeti, stelle, galassie) è costituito quasi esclusivamente da materia.

E’ noto, infatti, che se particelle di materia e di antimateria vengono a contatto tra loro si annichilano, convertendo la loro massa in radiazione elettromagnetica.

Se, quindi, in natura materia e antimateria si comportassero esattamente allo stesso modo, si sarebbero completamente annichilate immediatamente dopo il Big Bang, lasciando un Universo fatto solo di radiazione.

Una piccolissima asimmetria nel comportamento di materia e antimateria, nota come violazione della simmetria CP, potrebbe essere alla base del leggero squilibrio in favore della materia nell’Universo primordiale, facendo sì che quest'ultima non venisse completamente annichilita, e rendendo così possibile la formazione dell'Universo in cui viviamo.

La violazione di CP è stata osservata sperimentalmente per la prima volta nel 1964 in processi regolati dall’interazione debole in esperimenti condotti sui kaoni presso il laboratorio di Brookhaven, fruttando il premio Nobel per la fisica nel 1980.

Importanti risultati sui kaoni sono stati ottenuti anche al CERN con l'esperimento NA48. Più recentemente la violazione di CP è stata osservata anche nel settore dei mesoni B, una particella composita contenente il quark b (bottom), presso gli esperimenti BaBaR (SLAC) e Belle (KEK), noti come B-factories.

Queste scoperte hanno provato che la violazione di CP è un fenomeno universale nei processi dovuti alle interazioni deboli. Non vi è invece ad oggi alcuna evidenza sperimentale di violazione della simmetria CP nelle interazioni forti ed elettromagnetiche.

Il Modello Standard delle particelle prevede la possibilità di violazione di CP attraverso il meccanismo CKM, che descrive la probabilità che un quark si trasformi da un tipo (sapore) all’altro (per esempio da bottom a charm).

Tuttavia, la violazione di CP prevista dal Modello Standard è troppo piccola per spiegare l’asimmetria tra materia e antimateria creatasi nell’Universo primordiale.

La Natura deve quindi aver previsto altre particelle, non ancora osservate, e altri meccanismi in grado di generare la quantità di violazione di CP necessaria per spiegare l’Universo in cui viviamo.

E’ quindi una priorità della fisica dei giorni nostri, quella di cercare segnali di nuova fisica oltre il Modello Standard. 

La ricerca di nuova fisica oltre il Modello Standard è alla base della costruzione del Large Hadron Collider (LHC). Il LHC si trova all'interno di un tunnel lungo 27 km che scorre a 100 m di profondità in prossimità del confine tra Francia e Svizzera.

Le collisioni tra fasci di protoni di altissima energia (fino a 7 TeV per fascio) circolanti in direzioni opposte avvengono in quattro punti dell’anello, in corrispondenza dei quattro esperimenti principali: ATLAS, CMS, ALICE e LHC.

L'esperimento LHCb è prevalentemente dedicato allo studio della fisica del beauty ed in particolare alla misura dei parametri della violazione di CP e di decadimenti e fenomeni rari nella fisica delle particelle (mesoni e barioni) dotate di quark b.

L’enorme quantità di mesoni B prodotti a LHCb (migliaia di volte più di quelli prodotti nelle B-factories) consente lo studio di questi mesoni con una precisione mai raggiunta sinora.