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 
, i colleghi di LHCb hanno pertanto selezionato le collisioni che contenevano tracce di quattro particelle note, una 
, due pioni 
e un 
. 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 
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.