La Collaborazione CMS ha annunciato la prima osservazione di un nuovo canale di decadimento del mesone B0s, una particella formata da un quark beauty (b) ed un quark strange (s). L’osservazione coinvolge due altre particelle, il ben noto mesone Φ, composto da un quark strano ed un antiquark strano, ed una misteriosa particella chiamata X(3872), la cui scoperta è avvenuta in questo secolo (2003).
Proprio come suggerito dal nome “X”, non c’è ancora un verdetto su quale sia la natura di questa particella. Molti fisici credono sia uno stato esotico. Alcuni di questi suggeriscono che la X sia un “tetraquark”, un affascinante oggetto composto da un diquark, a sua volta formato da un quark charm ed un quark up, ed un antidiquark, formato dai corrispondenti antiquark. Altri invece pensano che sia una “molecola mesonica” formata da due mesoni contenenti quark charm, ma queste non sono le uniche spiegazioni proposte.
La recente osservazione del decadimento è il risultato di una sofisticata analisi dell’enorme collezione di dati che l’esperimento CMS ha raccolto durante i tre anni dal 2016 al 2018. Sia il mesone Φ che la X(3872) vivono per un brevissimo istante e poi decadono in altre particelle già note. Il mesone Φ viene rivelato come una coppia di kaoni (le particelle strane più leggere) di carica opposta. Contemporaneamente la X si disintegra in una maniera più complicata, ossia una J/ψ e due pioni di carica opposta.
Figura 1. Schema della produzione di una particella B0s e del suo decadimento in muoni, pioni e kaoni.
La particella J/ψ è stata la prima particella contenente quark charm ad essere scoperta (nel 1974): l’evento viene spesso ricordato come “la Rivoluzione di Novembre”. Due gruppi di fisici, uno presso il Brookhaven National Lab sulla East Coast degli Stati Uniti, l’altro presso lo Stanford Linear Accelerator Center sulla West Coast, scoprirono contemporaneamente la particella J/ψ, ma non furono in grado di mettersi d’accordo su che nome darle. Pertanto questa particella è l’unica ad avere due nomi: J e ψ, combinate nel nome composto J/ψ.
Questa scoperta di 50 anni fa è così importante perché prima di essa i fisici ritenevano che vi fossero solamente tre tipi di quark in Natura: up, down e strange. L’osservazione di un quarto tipo, il quark charm, di cui la particella J/ψ è costituita, portò presto alla conferma che i tipi di quark esistenti sono ben sei, con le successive scoperte del quinto quark (beauty) e del sesto quark (top) negli anni ‘80 e ‘90. La particella J/ψ viene rivelata dall’esperimento CMS tramite il suo decadimento in una coppia di muoni. Pertanto il nuovo decadimento del mesone B0s, in figura 1, produce alla fine ben sei particelle: due pioni, due kaoni e due muoni!
Le figure 2 e 3 mostrano i segnali di B0s ➝ X(3872)Φ e X(3872) ➝ J/ψπ+π- osservati da CMS come caratteristici picchi (risonanze) nello spettro di massa dei prodotti di decadimento.
Figura 2. La distribuzione di massa ricostruita per X(3872)Φ dopo la sottrazione del fondo. Il picco corrisponde al segnale della B0s.
Figura 3. La distribuzione di massa ricostruita per J/ψπ+π-. Il picco corrisponde al segnale della X(3872).
Ciò che rende questa nuova osservazione particolarmente interessante è che la frequenza con cui il mesone B0s decade in X(3872)Φ è circa il doppio di quella osservata per B+ ➝ X(3872)K+. Questo decadimento del mesone B+ è un parente stretto del nuovo decadimento, in quanto il mesone B+ è l’analogo di un mesone B0s in cui il quark strange è sostituito con un quark up, e la stessa relazione intercorre tra il mesone K+ e il mesone Φ. Il fatto che le due frequenze di decadimento differiscano è indice di una rilevante differenza tra il quark strange e il quark up in questi decadimenti e rende il misterioso charme della particella X più strano che mai.
(traduzione dal sito https://cms.cern/news/discreet-charm-x3872)
