Tetraquark?

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 (π⁺ 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 Z_c(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 Z_c(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 Z_c è un chiaro segnale che anche questa deve contenere una coppia charm-anticharm. Per poter conservare la carica elettrica nelle reazioni di decadimento Z_c(3900) → J/ψ π⁺ e Z_c(3900) → J/ψ π^–, la Z_c 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 Z_c deve contenere, oltre alla coppia charm-anticharm, altri due quark, il che rende questa particella un candidato tetraquark.

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 Z_c(3900) e ad una massa di 4.02 GeV è stata scoperta un’altra tripletta di particelle a quattro quark, chiamate  Z_c(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 Z_c(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 Z_c(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⁺(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