Rappresentazione artistica di un tetraquark compatto costituito da due quark charm, un anti-quark up ed un anti-quark down. [Immagine: CERN]
La materia ordinaria è costituita da protoni, neutroni ed elettroni. A differenza degli elettroni, protoni e neutroni non sono particelle elementari, ma risultano dall'aggregazione di particelle più fondamentali, chiamate quark.
I quark possono essere di sei tipi: up, down, strange, charm, bottom, top.
Un quark può legarsi ad altri due quark per formare un barione (come il protone) oppure può formare un mesone, una particella costituita da un quark ed un anti-quark. Tuttavia sin dalla formulazione del modello a quark, è stata ipotizzata l'esistenza di strutture più complesse, dette esotiche, come tetraquark (2 quark + 2 anti-quark) e pentaquark (4 quark + 1 anti-quark).
La Collaborazione LHCb, che si avvale del contributo di un gruppo di ricerca molto attivo della Sezione INFN di Bari, ha annunciato l'importantissima scoperta del primo tetraquark contenente due quark di tipo charm attraverso due articoli (vedi link nella sezione "Per approfondire")
LHCb e' uno dei quattro principali esperimenti presso il Large Hadron Collider, il più grande acceleratore di particelle al mondo, situato al CERN di Ginevra. Obiettivo principale dell'esperimento è quello di studiare la violazione della cosiddetta simmetria di Carica-Parità (CP) per cercare di spiegare il mistero della mancanza di antimateria nell'Universo. L'esperimento permette inoltre possibilità uniche di investigazione di strutture non ordinarie di quark.
La maggior parte degli stati esotici di quark finora osservati è caratterizzata dalla presenza di un quark charm o di un anti-quark charm. La recente scoperta della collaborazione LHCb riguarda invece il primo tetraquark, indicato con Tcc+, con due quark charm, legati insieme ad un anti-quark up ed un anti-quark down.
Con questa scoperta LHCb conferma il suo successo nell’ambito della spettroscopia adronica, un settore di ricerca in cui il gruppo LHCb della Sezione INFN di Bari è impegnato in prima linea e a cui ha già contribuito attraverso la scoperta del mesone Ds0*(2317) e di 5 nuovi barioni Ωc, particelle che presentano caratteristiche non spiegabili nell'ambito del modello a quark convenzionale e che inducono a supporre una natura esotica ancora da comprendere.
Le caratteristiche del segnale e la lunga vita media del Tcc+ recentemente osservato suggeriscono che si tratti del cosiddetto stato fondamentale, cioè quello di massa più piccola, realizzabile utilizzando lo stesso contenuto di quark: la sua massa è infatti quasi uguale alla somma delle masse dei due mesoni convenzionali D0 and D*+ (costituiti rispettivamente da un quark charm ed un anti-quark up e da un quark charm ed un anti-quark down).
Tale proprietà è peraltro comune ad un altro stato esotico, chiamato X(3872), il cui contenuto di quark potrebbe essere invece di un quark charm e di un anti-quark charm legati ad un quark up e un anti-quark up oppure ad un quark down e un anti-quark down. Ulteriori studi sono necessari per comprendere se questa comune proprietà è una mera coincidenza o se i due stati hanno un denominatore comune.
“L’osservazione di questo nuovo tipo di tetraquark è la conferma definitiva dell’esistenza di stati esotici. Il prossimo obiettivo è quello di comprendere come i quark si legano all’interno di queste particelle” commenta il dott. Marco Pappagallo dell’Università degli studi di Bari, ricercatore associato presso la Sezione INFN di Bari, che riveste il ruolo di vice Physics Coordinator della collaborazione LHCb.
Segnale del nuovo tetraquark Tcc+ nei dati raccolti dall’esperimento LHCb. La posizione del segnale mostra come la massa di Tcc+ sia prossima al valore di soglia per la creazione di D*+D0 e D*0D+ (linee verticali).
Un ingrandimento della regione di segnale è riportato nell’inserto. [Immagine: CERN]
E potrebbe esserci altro! L'osservazione del tetraquark Tcc+ con due quark charm ha infatti una immediata conseguenza: la predizione di un tetraquark Tbb- , comprendente due quark beauty; questa particella è in particolare interessante perché ci si aspetta che decada attraverso il cosiddetto meccanismo di "interazione debole" (a differenza di Tcc+ che decade in seguito a "interazione forte") e che quindi sia caratterizzata da una vita media particolarmente lunga.
LHCb continuerà le sue ricerche per svelare i più nascosti segreti del mondo dei quark: la scoperta del tetraquark Tbb- potrebbe essere già possibile attraverso lo studio dei nuovi dati che saranno raccolti dall'esperimento a partire dal 2022.
Per approfondire: