Ha quattro quark ma non ha la massa di Zc (3900)

L’anno scorso i fisici delle particelle hanno fatto una scoperta inaspettata: una particella, chiamata Zc (3900), che sembra essere composta da quattro quark piuttosto che dai soliti due o tre. I  quark sono i costituenti o mattoni della materia, particelle che si assemblano per formare particelle più complesse, come protoni e neutroni. Fino ad aprile del 2013 i fisici conoscevano solo particelle formate da due quark (come i mesoni, vedi i pioni) o tre  quark (come i barioni, entro cui si annoverano i protoni), ma ben due gruppi di ricercatori hanno confermato l’esistenza di tracce di una particella di questo tipo.

A rivendicare l’esistenza di questa forma esotica di  materia sono due studi pubblicati su Physical Review Letters, mentre i protagonisti della scoperta sono i ricercatori dell’esperimento Belle dell’High Energy Accelerator Research Organization (Kek), in Giappone, e dell’esperimento BESIII del  Beijing Electron Positron Collider, in Cina. Nature News ha raccontato che le  collisioni del Kek sono molto meno energetiche di quelle di LHC, ma possono comunque mimare le condizioni dell’Universo primordiale, fornendo indizi preziosi sulla natura delle particelle presenti. E una di queste potrebbe essere stata proprio  Zc (3900),  vista 159 volte dai detector dell’esperimento Belle (in realtà i ricercatori hanno osservato i decadimenti di una particella, i cui  dati corrispondono a quanto ci si attende dalla disintegrazione di una particella con quattro quark). In Cina la stessa  particella a quattro è stata avvistata 307 volte dalle collisioni tra elettroni e positroni.  

Qual è la sua struttura? Si tratta di una coppia di  mesoni – una sorta di  molecola di mesoni, costituita a sua volta da due coppie di quark (un quark e un anti-quark per ogni coppia) – o di una particella vera e propria con quattro quark (con una coppia di quark e una di antiquark)? Novità giungono dalla Collaborazione BESIII che ha di recente esplorato un insieme separato di reazioni che possono portare alla produzione di questi stati quattro quark. Come riportato su Physical Review Letters, i ricercatori hanno confermato le “firme” di questa particella, ma la sua massa non è esattamente quella di Zc (3900). Indipendentemente dalla sua vera identità, l’entità individuata può aiutare a capire meglio i modi in cui quattro quark si possono – o potrebbero – legare insieme in queste particelle insolite.

Vediamo di capire meglio  – qualche tecnicismo è indispensabile e chiedo venia se risulta per qualcuno poco digeribile. La prova originaria dell’esistenza di Zc (3900 proviene, come ho detto, da collisioni elettrone-positrone. Ad una energia di 4,26 gigaelettronvolt (GeV), queste collisioni possono produrre una particella chiamata Y(4260) che decade, qualche volta, in un mesone J/Ψ e in due pioni. In queste catene di decadimento, i fisici hanno scoperto un’altra particella, la Zc (3900), con una massa di 3.9 GeV/c2 . Non è ancora chiaro se Zc (3900) è un vero e proprio stato di quattro quark o una “molecola” composta da stati di due quark.

Per cercare di comprendere cosa succede all’interno delle catene di decadimento, l’esperimento BESIII al Beijing Electron Positron Collider ha analizzato un percorso diverso di decadimento per Y (4260), che si traduce in una coppia di mesoni D e un pione. I dati mostrano un picco a una energia specifica, il che implica “la presenza” o “creazione” di una particella con una massa di 3.885 GeV/c2. La discrepanza di massa con il Zc (3900) è piccola ma significativa  – corrisponde a 2 sigma. Per questo motivo i ricercatori si sono astenuti dall’identificare in modo univoco la loro particella come Zc (3900). Ora si apprestano a misurare il momento angolare totale e la parità delle loro particelle, sperando che questo possa aiutare a distinguere con esattezza la loro particella da altre potenziali particelle che si trovano nello stesso intervallo di massa e che sono fatte di quattro quark

Immagine in apertura: vedete “una prova qualitativa dell’esistenza dei quark. La collisione tra un elettrone e un positrone produce due sottili spruzzi di particelle, chiamati getti. Una spiegazione soddisfacente della frequenza di questa configurazione è che l’annichilazione positrone-elettrone produce un fotone virtuale, il quale a sua volta si disintegra in un quark e un antiquark che schizzano in direzioni opposte. Questi quark diventano getti quando si allontanano dal luogo della collisione. L’evento è stato registrato dall’acceleratore PETRA di Amburgo. Le traiettorie delle particelle sono state riprodotte dal computer a partire dalle scie di ionizzazione e dalla configurazione dell’energia (a colori nel disegno) rilasciata dalle particelle mentre colpivano lo strato interno del cilindro del rivelatore, lungo 2,4 metri”.

(Photocredit e fonte della descrizione: http://www.fisicaparticelle.altervista.org/quark.html).

Papers di riferimento:

1- M. Ablikim et al. (BESIII Collaboration), “Observation of a Charged (DD¯*)± Mass Peak in e+e−→πDD¯* at s=4.26  GeV”, Phys. Rev. Lett. 112, 022001 (2014).

2 – M. Ablikim et al. (BESIII Collaboration), “Observation of a Charged Charmoniumlike Structure in e+eπ+πJ/ψ at √s=4.26  GeV,” Phys. Rev. Lett. 110, 252001 (2013).

3- Z. Q. Liu et al. (Belle Collaboration), “Study of e+eπ+πJ/ψ and Observation of a Charged Charmoniumlike State at Belle,” Phys. Rev. Lett. 110, 252002 (2013).

4- T. Barnes, S. Godfrey, and E. S. Swanson,“Higher Charmonia,” Phys. Rev. D 72, 054026 (2005); E. S. Swanson, “The New Heavy Mesons: A Status Report,” Phys. Rep. 429, 243 (2006).

5- B. Aubert et al., “Observation of a Broad Structure in the π+π– J/ψ Mass Spectrum around 4.26 GeV/c2,” Phys. Rev. Lett. 95, 142001 (2005).

6- A. Bondar et al. (Belle Collaboration), “Observation of Two Charged Bottomoniumlike Resonances in Y(5S) Decays,” Phys. Rev. Lett. 108, 122001 (2012)

7- S.-K. Choi et al. (Belle Collaboration), “Observation of a Resonancelike Structure in the π+-ψ Mass Distribution in Exclusive BKπ+-ψ Decays,” 100, 142001 (2008).

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