LHCb osserva i pentaquark

Nel comunicato stampa del 14 luglio di LHC Italia si legge che LHCb, uno dei quattro grandi esperimenti del Large Hadron Collider del CERN, ha riportato la scoperta di una classe di particelle esotiche note come pentaquark. La collaborazione ha pubblicato sul sito open access arXiv.org lo studio che descrive questi risultati, sottomesso per la pubblicazione alla rivista Physical Review Letters.

“Il pentaquark non è una qualsiasi nuova particella,” precisa a Phys.org il rappresentante del team di LHCb Guy Wilkinson. “Esso rappresenta un modo per aggregare i quarks, ossia i costituenti fondamentali dei protoni e neutroni ordinari, in uno schema che non è mai stata osservata prima d’ora in oltre 50 anni di ricerche sperimentali. Studiare le sue proprietà ci può permettere di comprendere come la materia ordinaria, i protoni ed i neutroni con cui siamo formati, è costituita”.

I ricercatori di LHCb hanno cercato stati di pentaquark esaminando il decadimento di un barione, conosciuto come Λb (Lambda b), in altre tre particelle: una J/ψ (J-psi), un protone e un kaone carico. Lo studio della distribuzione dell’energia della J/ψ e del protone ha rivelato che stati di aggregazione di materia intermedi, i pentaquark appunto, si formano a volte nel corso del decadimento di questi barioni.

“Approfittando della grande mole di dati forniti da LHC, e potendo contare sull’eccellente precisione del nostro rivelatore, abbiamo esaminato tutte le possibilità per questi segnali, e abbiamo concluso che si può spiegare solo con stati di pentaquark”, spiega il fisico della collaborazione internazionale LHCb Tomasz Skwarnicki, della Syracuse University negli Stati Uniti, che ha coordinato lo studio. “Più precisamente gli stati devono essere formati da due quark up, un quark down, un quark charm e un anti-quark charm”, conclude Skwarnicki.

CERN’s LHCb experiment reports observation of exotic pentaquark particles

L’immagine mostra una delle possibili configurazioni per i pentaquark. Come mostra l’immagine in apertura, essi potrebbero essere strutturati come un’unica particella composta da quattro quark e un antiquark, oppure da un mesone e un barione (tre quark) legati debolmente. Credit: Daniel Dominguez.

“L’esistenza di particelle esotiche, quelle che non riusciamo a inquadrare nei modelli che descrivono mesoni e barioni, è ormai un fatto sperimentalmente accertato: ad esempio, stati con quattro quark sono già stati scoperti in diversi esperimenti, incluso LHCb”, approfondisce Pierluigi Campana, a capo della collaborazione internazionale LHCb dal 2011 al 2014. “Però adesso abbiamo una forte indicazione di qualcosa di equivalente per i cinque quark. E questo grazie alla capacità di LHCb di riconoscere la natura delle particelle, in mezzo a quella tempesta di tracce che ci è generosamente offerta dalle collisioni a LHC”, conclude Campana.

Ma questo risultato non è conclusivo, perché i pentaquark sono una classe di particelle che ci può aprire le porte a una comprensione molto più approfondita della materia. Infatti, se noi conosciamo bene la forza elettromagnetica che tiene legati assieme gli atomi, cioè i nucleoni e gli elettroni, non altrettanto possiamo dire della forza forte, che tiene legati sia i protoni e i neutroni all’interno del nucleo, sia i quark che li compongono tra di loro.

A four-by-four table of particles. Columns are three generations of matter (fermions) and one of forces (bosons). In the first three columns, two rows contain quarks and two leptons. The top two rows' columns contain up (u) and down (d) quarks, charm (c) and strange (s) quarks, top (t) and bottom (b) quarks, and photon (γ) and gluon (g), respectively. The bottom two rows' columns contain electron neutrino (ν sub e) and electron (e), muon neutrino (ν sub μ) and muon (μ), and tau neutrino (ν sub τ) and tau (τ), and Z sup 0 and W sup ± weak force. Mass, charge, and spin are listed for each particle.

La suddivisione delle particelle nel Modello Standard. I sei tipi (o sapori) di quark sono colorati in violetto. Le colonne rappresentano le tre generazioni dei fermioni. Credit: wikipediaorg

La storia dei pentaquark comincia negli anni Sessanta del Novecento, precisamente nel 1964, quando Murray Gell-Mann ha proposto che una categoria di particelle, note come barioni, e che comprende protoni e neutroni, fossero composti di tre oggetti chiamati quark, e che un’altra categoria, i mesoni, fossero invece formati di coppie quark-antiquark (Gell-Mann fu insignito per questo lavoro del Premio Nobel per la fisica nel 1969). Ma la tavola periodica delle particelle elementari elaborata da Gell-Mann permette anche l’esistenza di altri stati di aggregati di quark, come il pentaquark appunto, composto da quattro quark e un antiquark. Fino ad ora, tuttavia, nonostante una ricerca serrata durata mezzo secolo e condotta da parte di molti esperimenti in tutto il mondo, non era mai stata portata nessuna prova conclusiva dell’esistenza del pentaquark.

Vediamo meglio cos’è un quark. Quando Gell-Mann e Yuval Ne’emen, in modo del tutto indipendente l’uno dall’altro, riunirono in gruppi le particelle sulla base delle loro proprietà, ottennero la eightfold way, la ottuplice via, indicata con SU(3) nel linguaggio formale. Dopo aver diviso in gruppi anche i barioni, nel 1964 Gell-Mann, che era alla ricerca del modo più semplice per rendere conto di tutti i barioni con un numero di particelle sub-barioniche fondamentali, propose il concetto di quark un approfondimento si trova sulla rivista asimmetrie a questo link.

I quark sono fermioni, i quali sono raggruppati in tre generazioni, ognuna composta da due leptoni e due quark (più le loro antiparticelle dette antiquark). In totale si originano in questo modo sei tipi o sapori di quark: la prima generazione è composta dai quark up edown; la seconda include il quark charme il quark strange; della terza fanno parte il quark top e il quark bottom.

Gell-Mann scelse il nome quark perché era giunto alla conclusione che per fare un barione bastava una combinazione di base di tre quark, e le diverse combinazioni dei quark erano sufficienti per costituire tutti i barioni fino ad allora noti, il che gli aveva richiamato alla mente un verso del Finnegan’s Wake di James Joyce: three quarks for Muster Mark.  

Paper: 

“Observation of J/ψp resonances consistent with pentaquark states in Λ0b→J/ψK−p decays.” arxiv.org/abs/1507.03414

Fonti:

http://phys.org/news/2015-07-cern-lhcb-exotic-pentaquark-particles.html

http://lhcitalia.infn.it/index.php/news/447-lhcb-osserva-i-pentaquark-particelle-esotiche-a-cinque-quark

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