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Tetraquark?

Credits: APS/Alan Stonebraker

Gli adroni, particelle che interagiscono attraverso la forza forte, sono generalmente classificati in base al loro spin: i mesoni hanno spin intero e sono generalmente composti da una coppia costituita da un quark e un antiquark;  i barioni hanno spin semintero e sono composti da una tripletta di quark o di antiquark. Le eccezioni a questa configurazione di due o tre quark sono particolarmente interessanti in quanto potrebbero rappresentare una nuova configurazione della materia, detta appunto esotica.
La Cromodinamica Quantistica (QCD) è la teoria che descrive le interazioni forti fra i quark e,  per come è costruita, è in grado di elaborare predizioni ampiamente confermate ad alta energia; più difficile è descrivere il comportamento dei quark nel dominio di bassa energia, proprio là dove essi si legano a formare gli adroni. Perciò, al momento, non si può affermare in maniera non ambigua quali siano i tipi di configurazioni di quark possibili, ma diversi modelli teorici prevedono l’esistenza di adroni esotici composti da quattro o cinque quark (tetraquark o pentaquark) o adroni ibridi (che contengono, oltre ai quark, un gluone) o anche glueball (solo gluoni legati tra loro).

Ad oggi sono state scoperte una trentina di possibili particelle che non rientrano nella classificazione standard mesone/barione, e sono state chiamate appunto esotiche. La maggior parte di questi candidati hanno massa nella regione dei cosiddetti stati del charmonio, mesoni neutri formati da un quark charm e un quark anticharm. La X(3872) può essere considerate la prima particella esotica, potenzialmente un tetraquark, ma la sua natura non è ancora chiara. L’esperimento BESIII all’acceleratore elettrone-positrone (e+e) BEPCII di Pechino si dedica proprio allo studio sistematico degli stati con charm in un vasto intervallo di energie e recentemente ha scoperto una serie di particelle decisamente esotiche formate da quattro quark. Da un altro punto di vista l’esperimento LHCb, studiando le particelle provenienti dai decadimenti dei mesoni B prodotti nelle collisioni protone-protone al collider LHC del CERN, sta svelando ulteriori nuovi stati esotici.

All’energia di 4.26 GeV le collisioni tra elettroni e positroni producono una particella enigmatica, la Y(4260), che sembra essere composta da una coppia charm-anticharm ed un extra gluone. Cercando di catturare le peculiarità della Y(4260) nel suo decadimento in un mesone J/ψ e in due pioni+ e π), i fisici di BESIII, seguiti subito dopo da quelli di Belle presso l’acceleratore giapponese KEK, hanno scoperto un’altra particella enigmatica, la Zc(3900), che ha una massa circa quattro volte quella del protone. Si è capito che il decadimento della Y(4260) avviene attraverso uno stato intermedio, costituito dalla Zc(3900), che a sua volta decade in J/ψ e in un pione π+ o π (vedi figura). La J/ψ è uno stato del charmonio, una combinazione di charm-anticharm con carica elettrica nulla.  La sua presenza tra i prodotti di decadimento della Zc è un chiaro segnale che anche questa deve contenere una coppia charm-anticharm. Per poter conservare la carica elettrica nelle reazioni di decadimento Zc(3900) → J/ψ π+ e Zc(3900) → J/ψ π, la Zc deve avere una carica elettrica  uguale a quella del pione in cui decade. Poichè l’unico modo di realizzare una carica elettrica intera è di disporre almeno di una coppia quark-antiquark (i singoli quark hanno carica frazionaria), la Zc deve contenere, oltre alla coppia charm-anticharm, altri due quark, il che rende questa particella un candidato tetraquark.

Evidenza sperimentale della Zc(3900) come vista dall’esperimento BESIII nel picco di massa della distribuzione di eventi Y(4260) che decadono in J/ψ π+).

Una tale combinazione di quattro quark non era mai stata osservata prima e la scoperta ha portato la collaborazione BESIII a studiare altre reazioni che possono portare alla produzione di questi tetraquark e tutta la comunità di fisici teorici si è messa in moto per cercare di capire la loro natura. In questa ricerca BESIII ha poi identificato anche il partner neutro della Zc(3900) e ad una massa di 4.02 GeV è stata scoperta un’altra tripletta di particelle a quattro quark, chiamate  Zc(4020), di cui due cariche e una neutra. Inoltre nei decadimenti della Y(4260) in un pione e in una coppia costituita da un  mesone D e dalla sua antiparticella, è stata identificata anche una particella con massa di 3.885, GeV molto vicina alla Zc(3900)! In un articolo apparso recentemente su Physical Review Letters [1], la collaborazione BESIII ha riportato i risultati di una misura dello spin e della parità di questa particella e della Zc(3900). I risultati di questa analisi indicano che entrambe le particelle hanno spin uguale ad 1 e parità positiva. Ciò favorisce l’ipotesi che le due particelle siano effettivamente la stessa particella a quattro quark che ha due diversi modi di decadimento possibili: in J/ψ π+) o in una coppia mesone D-antimesone D ed un pione.

La collaborazione LHCb ha recentemente riportato, sempre su Physical Review Letters [2], l’osservazione di quattro particelle esotiche che decadono in J/ψ e in un mesone φ: X(4140), X(4274), X(4500) e X(4700) (solo la prima già osservata in precedenti esperimenti), e che sono candidati a essere ulteriori particelle a quattro quark.

Dal punto di vista teorico gli sforzi di risolvere la QCD a basse energie potrebbero rivelare se configurazioni a quattro o più quark sono possibili e la classificazione attuale delle particelle andrebbe rivista alla luce di queste recenti osservazioni. (Monica Bertani)

 

[1] L’articolo è consultabile all’indirizzo arxiv.org/abs/1706.04100

[2] L’articolo è consultabile all’indirizzo arxiv.org/abs/1606.07895