Cos'è il nuovo adrone scoperto da LHCb

Si è aperta ieri a Venezia la conferenza EPS-HEP, organizzata della Società Europea di Fisica (European Physics Society, EPS) e dedicata alla fisica delle alte energie (High Energy Physics, HEP). Si tratta di una delle conferenze più importanti del settore, e quest'anno ci si aspetta che gli esperimenti di LHC presentino i nuovi risultati ottenuti analizzando tutti i dati collezionati tra il 2015 e il 2016.

Ci sono diverse cose interessanti tra i risultati presentati nei primi due giorni  (e di alcune magari parlerò più diffusamente in futuro), ma una in particolare ha avuto un'eco considerevole sulla rete e sui quotidiani italiani. "Scoperta la particella Xi: Inseguita da anni, ci aiuterà a capire cosa tiene insieme la materia", titolava per esempio oggi pomeriggio La Repubblica. Le domande di amici e parenti non si sono fatte attendere. Cos'è questa nuova particella? È importante? Rivoluziona la fisica delle particelle e la nostra comprensione del mondo?

 

La nuova particella è stata scoperta dall'esperimento LHCb. Si tratta di una misura  frutto di un lavoro lungo, delicato e di grande precisione: il  risultato è notevole, e va giustamente celebrato. Non è però, sia chiaro, una scoperta che rivoluziona la fisica delle particelle. "Scoprire una nuova particella" - come titola anche La Stampa - è purtroppo  una frase piuttosto ambigua, che può significare tanto "trovare un fenomeno inatteso che rivoluziona la comprensione del mondo, o che conferma finalmente una delle tante teorie che risolvono i buchi del  Modello Standard", quanto "trovare un nuovo stato legato di particelle elementari già note, uno stato mai visto prima, ma analogo a molti altri già conosciuti". In questo caso, la scoperta rientra nella seconda accezione.

Come è stata scoperta la nuova particella? Chi frequenta questo blog sa che  una particella instabile si ricerca selezionando, tra le collisioni tra protoni prodotte da LHC, quelle che contengono le tracce di quelle particelle in cui l'oggetto di cui si è alla ricerca si sarebbe disintegrato. Nel caso della particella \Xi^{++}_{cc}, i colleghi di LHCb hanno pertanto selezionato le collisioni che contenevano tracce di quattro particelle note, una \Lambda_c^+, due pioni \pi^+ e un K^-. Stiamo parlando di adroni, ovvero di particelle composte da due o tre quark. A partire dalle energie e dalle posizioni di queste quattro particelle, ricostruite e identificate nel rivelatore LHCb, i fisici hanno calcolato la massa di una ipotetica particella "madre", da cui i quattro adroni ricostruiti sarebbero originati. I valori della massa dell'ipotetica particella madre, sistemati in un istogramma, producono questo grafico:

La natura ha molti modi di produrre i quattro adroni selezionati da LHCb. Nella maggior parte dei casi, i quattro vengono prodotti direttamente nella collisione tra i due protoni, e non vengono dunque dalla disintegrazione di una particella madre. In questi casi, le loro energie e posizione non generano dunque un particolare valore di massa. In corrispondenza di una massa di circa 3600 MeV, i fisici di LHCb hanno però osservato un accumulo di dati che forma un picco. È il segnale di quella che i fisici chiamano una "produzione risonante": le quattro particelle non sono allora prodotte direttamente nella collisione, ma arrivano invece dalla disintegrazione di una particella intermedia più pesante, lei sì prodotta nello scontro tra i due protoni.

Perché questa nuova particella ha ricevuto un nome così complesso? Tutto dipende dalla sua composizione. Non si tratta infatti di una particella elementare, ma un nuovo adrone formato da quark. I due segni ++ ne indicano la carica elettrica (positiva come un protone, ma doppia), il pedice cc indica il fatto che contiene due quark charm. Queste informazioni sono state dedotte proprio dalle proprietà degli adroni in cui si disintegra, e dai quark che li compongono. Il decadimento può essere analizzato in termini di quark costituenti così:

 

La \Xi^{++}_{cc} è dunque un adrone composto da due quark charm e un quark up. Concettualmente assomiglia al protone, che e' formato da due quark up e un quark down, o al neutrone, che e' formato da un quark up e due quark down. La sua massa, circa 3.6 GeV, è poco meno che quattro volte quella del protone, che pesa circa 1 GeV. Questo aumento di massa è in buona parte spiegato dalla presenza dei due quark charm, che sono più pesanti di quelli up e down. Eppure stiamo comunque  parlando un una particella "leggera", perlomeno rispetto a quelle cui danno la caccia ATLAS o CMS: il bosone di Higgs, per esempio, ha una massa circa 125 volte superiore a quella del protone, mentre le particelle supersimmetriche, se mai ne dovessimo scoprire l'esistenza, peserebbero almeno un migliaio di volte più del protone.

La teoria che descrive l'interazione nucleare forte, spiegando come i quark stanno insieme negli adroni, si chiama Quanto-Cromo-Dinamica, QCD per gli amici. La QCD descrive molto bene tutte le possibili combinazioni tra i quark, anche se le sue predizioni sono molto difficili da calcolare, specie in certe condizioni, per esempio quelle che descrivono la dinamica dei quark dentro gli adroni. Il fatto che possa esistere uno stato legato di tre quark up, charm e charm non è dunque una novità incredibile: si tratta di qualcosa di previsto da tempo. La scoperta è dunque importante non tanto per la nuova particella in sé, che non cambia radicalmente la nostra visione del mondo, ma perché, studiandone le proprietà, sarà possibile verificare quanto bene siamo capaci di fare i calcoli di QCD che le predicono, ed eventualmente correggerli e migliorarli. In questo senso, scrivere su un giornale "ci aiuterà a capire cosa tiene insieme la materia" non è del tutto sbagliato, ma certo non racconta per bene tutta la storia, e potrebbe indurre molti a capire qualcosa di ben diverso.

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19 Commenti

  1. Zorapide
    Pubblicato il 7 luglio 2017 alle 07:33 | Permalink

    Spiegazione Puntuale come sempre: Grazie!

  2. Pubblicato il 7 luglio 2017 alle 07:53 | Permalink

    Molto bello; tutto chiaro.
    Volendo ci sarebbe un piccolo problema LaTeX: $K^-$

  3. Anna
    Pubblicato il 7 luglio 2017 alle 08:14 | Permalink

    Grazie per l'esaustiva spiegazione!

  4. Francesco
    Pubblicato il 7 luglio 2017 alle 08:37 | Permalink

    Mi verrebbe da chiedere... come mai per questo stato legato a 3.6GeV la scoperta è arrivata solo adesso, dopo cinque anni di attività? Dipende da come viene fatta la ricerca? I fisici di LHCb non avevano cercato in questo canale prima d'ora?

    E quindi, c'è la possibilità che ATLAS e CMS non abbiano visto particelle più leggere nei recenti runs?

    Ciao,
    Grazie!

  5. Pubblicato il 7 luglio 2017 alle 08:41 | Permalink

    @juhan: sistemato, grazie!

  6. Pubblicato il 7 luglio 2017 alle 08:44 | Permalink

    @Francesco: la difficoltà della scoperta sta da una parte in quanto raramente viene prodotto questo nuovo adrone (contenenti due quark charm, la sia produzione è piuttosto rara rispetto ad altri adroni simili ma con un contenuto di quark diverso), dall'altra dalla difficoltà nel ricostruire con una buona efficienza i suoi prodotti di decadimenti. In questo senso, per come è stato pensato e realizzato, LHCb è "specializzato" in questo genere di misure, più di ATLAS e CMS.

  7. Pubblicato il 7 luglio 2017 alle 08:50 | Permalink

    C'è anche un "neurone" che si è infilato tra protone e Xi...

  8. Pubblicato il 7 luglio 2017 alle 08:51 | Permalink

    @IgorB: e dire che ho anche fatto rileggere alla moglie 😉 (corretto)

  9. Pubblicato il 7 luglio 2017 alle 09:35 | Permalink

    Anche mia moglie è un killer in queste cose! Sarà l'occhio di genere...

    Come sempre molto chiaro nelle spiegazioni: non pretendo di capire tutto, ma il significato della "scoperta" diventa più sensato dopo aver letto il tuo post. Purtroppo la stampa generalista pensa più agli "strilli" che alla sostanza delle cose.

  10. Tamerlano
    Pubblicato il 7 luglio 2017 alle 10:04 | Permalink

    Grazie Marco,

    appena ho letto la notizia sui principali quotidiani mi sono detto: andiamo a scoprire su borborigmi cosa è successo veramente....
    Tamerlano

  11. Francesco
    Pubblicato il 7 luglio 2017 alle 10:30 | Permalink

    Grazie Marco!
    Quindi ci sono ancora delle possibilità per ATLAS e CMS? O l'unica speranza è cominciare a fare misure di precisione e sperare che quale previsione teorica sia sbagliata?

  12. Mario
    Pubblicato il 7 luglio 2017 alle 11:21 | Permalink

    Anch'io come Tamerlano appena letta la notizia su Repubblica sono passato da queste parti per trovare notizie non soltanto attendibili ma anche la spiegazione e il senso di quanto realmente accaduto. E infatti, come sempre la visita non è stata vana.
    Grazie Marco!

  13. cloc3
    Pubblicato il 7 luglio 2017 alle 15:49 | Permalink

    che la particella Xi non fosse un seme di coniglio era chiaro da subito, nonostante gli strilli di tanti giornalisti italiani, ma una cosa non mi è ancora chiara: stiamo parlando di un risultato frutto di un esperimento dedicato, o il prodotto di una elaborazione dati acquisiti per osservare fenomenologie più complesse e articolate?

  14. lisa
    Pubblicato il 7 luglio 2017 alle 17:21 | Permalink

    Ciao Marco,
    grazie per le informazioni e mi è piaciuto moltissimo come hai impostato il tuo post!

  15. Pubblicato il 9 luglio 2017 alle 08:03 | Permalink

    Forse sono fuori tema e allora non pubblicare il commento ma c'è una cosa che mi torna in mente da un paio di giorni.
    LHC ha Atlas e CMS che fanno le stesse cose con hardware diverso (OK, non so dirlo bene ma credo sia più o meno così). In questo modo se si trova, per esempio, un Higgs i due si possono chiedere "l'hai visto anche te?"
    Invece Xi è tutto (o principalmente) per LHCb, mi sembra. Forse perché è una particella di un set di cui ne abbiamo già trovate tante?
    Un'altra richiesta su Higgs: ha una sigla? se sì me la sono persa (la memoria...).

  16. Pubblicato il 9 luglio 2017 alle 14:25 | Permalink

    @Cloc3: cosa vuol dire "un'esperimento dedicato"? Se intenti LHCb come "esperimento dedicato", allora la risposta è si, ma anche LHCb fa molte analisi diverse dei suoi stessi dati, cercando di misurare o scoprire fenomeni differenti che darebbero vita a topologie differenti di stati finali delle collisioni misurate, proprio come ATLAS, CMS e ALICE.

  17. Pubblicato il 9 luglio 2017 alle 14:31 | Permalink

    @Juhan: per il momento l'osservazione della Xi_{cc}^{++} è stata fatta solo da LHCb, l'unico altro esperimento al mondo che aveva osservato uno stato finale simile era l'esperimento SELEX a Fermilab, che però a suo tempo aveva misurato una massa un po' diversa, cosa che ovviamente solleva qualche dubbio sulla compatibilità delle due misure. Prima o poi anche CMS e ATLAS potrebbero vedere la stessa particella (e probabilmente anche altri esperimenti specializzati nella misura di queste risonanze che potrebbero venir costruiti nel futuro), cosa che scioglierà il nodo della questione.

    Quanto al bosone di Higgs, la sigla è semplicemente H nell'ambito del Modello Standard (essendocene uno solo, non serve specificare nessuna altra proprietà), ma potrebbe benissimo essere chiamato H^0. In modelli con più bosoni di Higgs come certe estensioni supersimmetriche del MS si usa per esempio la h^0 minuscola per il bosone a 125 GeV già osservato, perché ci sarebbero anche H^0, H^+, H^- e A.

  18. Pubblicato il 9 luglio 2017 alle 14:33 | Permalink

    @Francesco: ATLAS e CMS hanno un programma di misura di queste risonanze QCD, ma i rivelatori sono meno sensibili di quello di LHCb per vedere i rispettivi prodotti di decadimento a queste basse energie. In linea di principio una misura potrebbe dunque arrivare prima o poi, ma non so dirti quando e con quale precisione.

  19. Matteo
    Pubblicato il 11 luglio 2017 alle 13:50 | Permalink

    Immagino quante lacrime di sincera commozione verranno versate da questi grandi giornali quando verrà finalmente disvelata la bbt.
    Sempre che la serie televisiva americana sia ancora attiva, naturalmente.

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  • Mi chiamo Marco Delmastro, sono un fisico delle particelle che lavora all'esperimento ATLAS al CERN di Ginevra.

    Su Borborigmi di un fisico renitente divago di vita all'estero lontani dall'Italia, fisica delle particelle e divulgazione scientifica, ricerca fondamentale, tecnologia e comunicazione nel mondo digitale, educazione, militanza quotidiana e altre amenità.

    Ho scritto un libro, Particelle familiari, che prova a raccontare cosa faccio di mestiere, e perché. Prima o poi ne scriverò un altro.

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