La collaborazione LHCb osserva per la prima volta un tetracharico doppiamente carico e il suo partner neutro.

1 settembre 2023 caratteristica

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da Ingrid Fadelli , Phys.org

L'osservazione di particelle sfuggenti ed esotiche è l'obiettivo principale di innumerevoli studi, poiché potrebbe aprire nuove strade per la ricerca, migliorando allo stesso tempo la conoscenza attuale della materia contenuta nell'universo e della sua fisica sottostante. Il modello dei quark, un modello teorico introdotto nel 1964, ha previsto l'esistenza di particelle elementari subatomiche conosciute come quark nelle loro diverse configurazioni.

Quark e antiquark (l'equivalente di materia antimateria dei quark) sono previsti come costituenti di varie particelle subatomiche. Queste includono particelle "convenzionali", come mesoni e barioni, così come particelle più complesse composte da quattro o cinque quark (rispettivamente tetraquark e pentaquark).

L'esperimento del Grande Collisionatore di Adroni bellezza (LHCb), uno sforzo di ricerca che coinvolge un ampio gruppo di ricercatori presso diversi istituti in tutto il mondo, sta cercando di osservare alcune di queste affascinanti particelle da oltre un decennio, utilizzando dati raccolti presso il collider di particelle LHC del CERN in Svizzera. In un recente articolo pubblicato su Physical Review Letters, hanno riportato la primissima osservazione di un tetraquark doppiamente carico e del suo partner neutro.

"Nel decennio scorso, l'esperimento LHCb ha svolto un lavoro pionieristico nella scoperta di particelle cosiddette esotiche", ha detto Yasmine Sara Amhis, coordinatrice di fisica dell'esperimento LHCb, a Phys.org, "L'LHCb ha scoperto il primo pentaquark nel 2015, e questo ha aperto la strada a molte altre scoperte. L'obiettivo principale delle ricerche di LHCb sulle particelle esotiche è scoprire quali tetraquark e pentaquark esistono e mapparne le proprietà, soprattutto scoprendo le altre particelle nei quali si decadono e i loro numeri quantici".

Attualmente, ci sono diversi modelli fenomenologici che descrivono tetraquark e pentaquark, in particolare prevedendo come i quark siano legati per formare queste particelle. Osservando queste particelle e misurandone le proprietà, la collaborazione LHCb potrebbe contribuire a determinare quali di questi modelli sono corretti, identificando anche eventuali discrepanze o inesattezze.

Come parte del loro recente studio, i ricercatori hanno analizzato i dati raccolti durante i primi due run sperimentali dell'LHC. Questi si sono estesi per un periodo di due anni, tra il 2011 e il 2018.

"L'analisi che ha portato a questa scoperta è molto sofisticata e è giusto dire che è un esempio di uno degli studi più 'difficili' realizzati all'interno della nostra collaborazione", ha spiegato Amhis. "Il nome originale dell'esperimento LHCb deriva dall'argomento di ricerca storico principale, che si concentrava sui b quark e sui loro prodotti. La coppia di tetraquark che viene riportata in questo articolo è stata osservata grazie a una tecnica chiamata analisi di ampiezza. Questo approccio si basa sul comportamento quantistico delle particelle e sulla loro capacità di interferire tra loro".

La complessa analisi condotta dalla collaborazione LHCb potrebbe essere descritta come un'analisi combinata che si concentra sulle simmetrie. Le simmetrie sono di cruciale importanza nella fisica delle particelle e svolgono un ruolo importante nel cosiddetto Modello Standard, la teoria guida delle particelle e delle forze che le governano.

"Le simmetrie sono anche potenti perché consentono di derivare analogie e relazioni tra le particelle", ha detto Amhis. "L'isospin, la simmetria che lega le due particelle elencate in questo articolo, afferma che la loro massa e larghezza siano uguali. Questo consente all'analisi combinata di essere più sensibile alle proprietà di queste particelle rispetto a un'analisi singola di ciascun partner isospin sarebbe potuta essere stata".

Fino ad oggi, la collaborazione LHCb ha pubblicato oltre 600 articoli, osservando diverse particelle e fenomeni fisici per la prima volta. La maggior parte dei loro studi ha confermato la solidità e l'affidabilità del Modello Standard di fisica delle particelle, ma alcuni di essi hanno anche portato a entusiasmanti nuove scoperte.

'Papers like this one show that discoveries, including some unexpected ones, remain possible,' Amhis said. 'More than 70 new hadronic particles have been discovered at the LHC, by far most of them at LHCb, As we learn more about which hadrons exist and their properties, we gain new understanding of the strong force, one of the four fundamental forces in nature, which binds quarks into hadrons. This understanding in turn opens new doors in searching for physics beyond the Standard Model, by reducing theoretical uncertainties associated with such searches which are caused by an imperfect understanding of the strong force.'

The recent work by the LHCb could soon inform further theoretical and experimental studies examining the physics of tetraquarks. Meanwhile, the LHC's third data collection run has begun, and the collaboration has significantly upgraded its equipment.

During this third run, the LHCb expects to collect five times more data per year compared to previous experimental runs. Their hope is that this new data will lead to more fascinating discoveries and observations.

'The improved detector is expected to gain another factor of two in the study of hadrons in particular, for a total factor of 10,' Amhis added.

'In addition, LHCb now has a much-improved system for injecting gases into the detector volume, so it can study not only proton collisions but also the collision of protons with a wide variety of nuclei. This opens yet another door to the understanding of exotic hadrons, by studying their formation in different types of collisions. In our next works, we plan to pursue all axes to gain a deeper understanding of these particles: searching for new exotic hadrons, measuring the properties of known exotic hadrons more precisely, and looking for known and new exotic hadrons in different types of collisions.'

Journal information: Physical Review Letters

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