Per decenni, i fisici hanno meticolosamente organizzato la loro collezione sempre più numerosa di particelle subatomiche, solo per vedere alcuni nuovi arrivi rifiutarsi di stare ordinatamente nelle scatole designate. I ricercatori della Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno ora trovato prove di due strutture inaspettate che potrebbero aiutare a mettere ordine nel caos.
I segnali potrebbero far luce sugli stati XYZ - un gruppo sconcertante di oggetti che non si adattano al quadro convenzionale delle particelle fatte di quark, i mattoni fondamentali della materia. Per la prima volta, i ricercatori del Jefferson Lab hanno rilevato due di questi segnali quando un fascio di fotoni ad alta energia ha colpito un bersaglio di protoni.
I risultati provengono dalla collaborazione Gluonic Excitations (GlueX) nella Sala Sperimentale D del Jefferson Lab e sono stati recentemente pubblicati su Physical Review Letters. I risultati potrebbero aiutare gli scienziati a capire come una delle forze fondamentali della natura contribuisca alla formazione della materia.
"Siamo andati a cercare un candidato XYZ confermato con un fascio di fotoni, ma invece abbiamo trovato altre due strutture," ha detto Malte Albrecht, uno scienziato del Jefferson Lab. "Sono informazioni nuove." Traduzione: miravano a una particella esotica e per caso ne hanno scoperte altre due, il che è o una grande vittoria o uno scherzo cosmico.
Dagli anni '50, gli esperimenti di collisione ad alta energia hanno portato alla luce un vero e proprio zoo di particelle subatomiche chiamate adroni, che sono particelle composite fatte di due o più quark tenuti insieme dalla forza nucleare forte. Esempi familiari includono protoni e neutroni, ciascuno contenente tre quark (anche se questi erano noti molto prima). Tra i nuovi arrivati c'erano particelle di breve durata chiamate mesoni, tipicamente un quark accoppiato con la sua controparte di antimateria, l'antiquark.
Nel 1964, i fisici introdussero il modello a quark per imporre ordine a questi stati legati. La versione iniziale aveva tre "sapori" di quark: up, down e strange. I quark up e down, per esempio, formano protoni e neutroni; up, down e strange sono i tre tipi di quark più leggeri. Poi, nel 1974, il quark charm più pesante fece la sua comparsa e gettò una chiave inglese negli ingranaggi - ma aiutò anche a costruire il quadro che divenne il Modello Standard, la teoria generale che descrive le particelle elementari e le forze fondamentali, mentre espandeva lo spettro noto delle strutture adroniche.
Con acceleratori più potenti e rivelatori più sensibili, i ricercatori iniziarono a vedere processi più sottili. Dopo il 2000, gli esperimenti iniziarono a rivelare adroni con proprietà quantistiche che non si adattavano al modello a quark originale. Le scoperte si accumularono così in fretta che i fisici etichettarono molti di questi stati poco compresi come stati XYZ.
"Siamo in una nuova era, simile a quella di 70 e passa anni fa," ha detto Frank Nerling, collaboratore del Jefferson Lab del Centro GSI Helmholtz per la Ricerca sugli Ioni Pesanti e dell'Università Goethe di Francoforte, in Germania. "Prima è stato scoperto uno zoo di adroni. Ora ci troviamo di fronte a uno zoo di cosiddetti stati esotici."
Gli adroni contenenti un quark charm e la sua antiparticella occupano una regione di massa chiamata charmonio; le particelle con quark strange e anti-strange popolano lo strangeonio. Molti stati XYZ sono stati avvistati in questi settori. Nel 2006, i ricercatori dell'esperimento BaBar presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del DOE hanno riportato un possibile stato strangeonio con una massa di circa 2,16 miliardi di elettronvolt (2,16 GeV), designandolo Y(2175). BaBar ha creato Y(2175) collidendo elettroni e positroni (annichilazione e+e-). Y(2175) mostrava un comportamento quantistico che potrebbe essere difficile da spiegare come una semplice coppia quark-antiquark - potrebbe essere uno stato ibrido che coinvolge due quark strange e gluoni eccitati (i portatori della forza forte), un tetraquark a quattro quark, o una combinazione simile a una molecola di altre particelle composite.
Esperimenti successivi con collisori elettrone-positrone (BES in Cina, Belle in Giappone) hanno confermato Y(2175), ma fino ad ora non era stato visto tramite alcun processo diverso dall'annichilazione e+e-. "La sfida è che hai molti me"