LHCb scopre cinque nuove particelle subnucleari

Spettro di massa delle combinazioni (Ξ⁺_c K^-). I cinque picchi stretti sono dovuti ai nuovi stati Ω⁰_c . La distribuzione in rosso rappresenta il contributo del fondo. Le aree in grigio sono dovute ad altri tipi di decadimenti dei tre stati di Ω⁰_c di più alta massa. © CERN / LHCb Collaboration.

Cinque nuove particelle, in un unico spettro di massa, sono state scoperte nell'esperimento LHCb al CERN di Ginevra. Questi oggetti, aventi una massa fra 3.0 e 3.12 GeV/c2, sono stati identificati come stati eccitati delle Ω⁰_c, barioni composti dalla combinazione di un quark charm e due quark strange. Una scoperta da Guinnes dei primati: non era mai accaduto infatti, nelle storia della fisica subnucleare, che cinque nuovi stati fossero scoperti simultaneamente al di là di ogni incertezza sperimentale.

Questi barioni charmati disintegrano in un altro barione charmato Ξ⁺_c e un mesone K^-, ed è stato necessario ricostruire con alta purezza circa un milione di Ξ⁺_c (questi ultimi composti da quark charm, strange e up) per poter osservare queste nuove particelle. La larghezza degli stati varia fra 1 e 9 MeV/c² (due di questi hanno larghezze compatibili con la risoluzione sperimentale) e ciò indica che, nella scala dei tempi del mondo subnucleare, esse vivono a lungo prima di disintegrare.

Le cosiddette particelle elementari in realtà elementari non lo sono affatto, e ne sono state osservate ormai centinaia. Oggi abbiamo una visione coerente della struttura di questo mondo subnucleare che viene dal modello a quark. I quark si combinano in due modi distinti: i mesoni, formati da una coppia quark-antiquark e i barioni, formati da tre quark. Tuttavia si stanno accumulando evidenze sperimentali di altre aggregazioni di quark più complesse, come i pentaquark.

Lo spettro dei barioni è molto vasto: con tre quark e cinque tipi di flavour a disposizione, sono possibili tantissime configurazioni e quindi molti stati osservabili. In particolare, nel settore delle Ω⁰_c erano finora conosciuti solo i due stati fondamentali. Attualmente, tale spettro è ancora in gran parte da costruire sia dal punto di vista teorico che sperimentale: infatti, i calcoli teorici effettuati finora sono molto approssimati e, sebbene si riesca in parte a prevedere l'esistenza di diversi stati, è molto difficile prevederne le proprietà, quali la massa o la durata della loro vita.

L'esperimento LHCb è una collaborazione internazionale di 770 fisici di 69 Università e Laboratori di 16 nazioni da tutto il mondo. A questo esperimento l'Italia partecipa con 13 Università e Sezioni dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e ha un ruolo di primo piano nella costruzione, nella direzione dell'esperimento e nella produzione di risultati di Fisica. Il programma di fisica dell’esperimento è molto ampio, e va dalla ricerca di nuove particelle, alla ricerca e allo studio di nuove forme dell'asimmetria materia-antimateria, alla ricerca di nuova fisica oltre il Modello Standard. L'analisi dei dati riguardanti questa ricerca è interamente italiana ed è stata condotta da due fisici dell'Università e Sezione INFN di Bari, Marco Pappagallo e Antimo Palano, utilizzando i dati raccolti dal 2011 al 2015.

Questa scoperta rappresenta una spettacolare dimostrazione del modello a quark e ha aperto nello studio del mondo subnucleare una nuova strada ricca di possibili sviluppi, e contribuirà certamente a comprendere meglio la struttura della forza nucleare.