Al Cern di Ginevra scoperta una nuova particella, sorella pesante del protone
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Redazione Scienza e Tecnologia
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Il laboratorio europeo di fisica delle particelle, il Cern di Ginevra, ha annunciato la scoperta di una nuova e rara particella subatomica, un risultato presentato durante l'annuale conferenza Rencontres de Moriond e che porta il nome di Ξcc⁺. Si tratta, per essere precisi, di un barione, la stessa famiglia di particelle a cui appartengono i protoni e i neutroni che compongono il nucleo degli atomi. La sua particolarità, e ciò che ha entusiasmato i fisici di tutto il mondo, risiede nella sua composizione interna: se un protone ordinario è formato da tre quark (due quark "up" e un quark "down"), questa nuova entità sostituisce i due leggeri quark up con due quark "charm", molto più pesanti. Ne consegue una massa complessiva che è circa quattro volte superiore a quella del protone, un peso notevole che la rende un oggetto di studio privilegiato per sondare le forze fondamentali della natura.
La conferma sperimentale della sua esistenza è arrivata grazie all'analisi dei dati raccolti da LHCb, uno dei quattro grandi esperimenti situati lungo l'anello dell'acceleratore Large Hadron Collider (Lhc). Questo rivelatore, va sottolineato, è attualmente coordinato dall'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) italiano, che gioca un ruolo di primo piano nella collaborazione internazionale. Gli scienziati non hanno osservato la particella direttamente, data la sua vita estremamente breve – nell'ordine dei femtosecondi – ma ne hanno dedotto la presenza studiando il suo decadimento. La Ξcc⁺, infatti, si trasforma in un trip di particelle figlie più leggere e stabili (nello specifico, un Λc⁺, un K⁻ e un π⁺), la cui traiettoria e energia sono state catturate dai sensori di LHCb, rivelando la firma inequivocabile del progenitore.
Questa scoperta rappresenta una pietra miliare per l'esperimento LHCb, essendo la prima nuova particella identificata dopo l'importante opera di upgrade che ha interessato il rivelatore, completata nel 2023. Le migliorie apportate, che hanno reso lo strumento più sensibile e veloce nell'acquisizione dei dati, hanno permesso di osservare un segnale chiaro composto da circa 915 eventi, con un livello di confidenza statistica superiore ai 7 sigma, ben oltre la soglia convenzionalmente richiesta per poter parlare di scoperta. È questo il risultato tangibile di anni di lavoro sulla strumentazione, che ora apre nuove frontiere nell'esplorazione della fisica delle particelle. La nuova particella, inoltre, è la sorella di un'altra particella scoperta sempre da LHCb nel 2017, la Ξcc⁺⁺, da cui si differenzia per la sostituzione di un quark up con un quark down, una sottigliezza che, come previsto dalla teoria, la rende ancora più sfuggente e difficile da osservare.
Un tassello che mancava all'appello da vent'anni
L'importanza del ritrovamento non risiede solo nella mera aggiunta al bestiario delle particelle elementari, ma anche nel fatto che essa chiarisce un rebus che durava da oltre due decenni. Già nel 2002, l'esperimento SELEX al Fermilab, negli Stati Uniti, aveva riportato l'osservazione di una particella con caratteristiche simili, ma con una massa che non coincideva con le previsioni teoriche e con un livello di confidenza non sufficiente per una conferma definitiva. Nessun esperimento successivo era mai riuscito a replicare quel risultato, gettando un'ombra di dubbio sulla sua reale esistenza. Le nuove misure di LHCb, estremamente precise, collocano la massa della Ξcc⁺ attorno ai 3620 MeV/c², un valore perfettamente in linea con le aspettative dei modelli e con la massa della sua compagna scoperta nel 2017, risolvendo così una lunga disputa scientifica e confermando che l'osservazione del SELEX era probabilmente frutto di un'illusione statistica.
L'impatto sulla comprensione della forza forte
Al di là della risoluzione del caso, l'esistenza di un barione doppiamente incantato offre ai fisici un laboratorio unico per mettere alla prova le loro teorie. Il comportamento dei quark all'interno delle particelle è governato dall'interazione forte, una delle quattro forze fondamentali della natura, descritta da una teoria chiamata cromodinamica quantistica. Questa forza, che tiene insieme i quark, è estremamente complessa e difficile da calcolare, specialmente quando entrano in gioco quark pesanti come il charm. Osservare come due quark charm si legano a un quark down all'interno di un singolo barione fornisce dati sperimentali preziosissimi per raffinare i modelli teorici e capire meglio come questa forza agisca in condizioni estreme, diverse da quelle che si trovano nella materia ordinaria. Non si tratta quindi solo di catalogare una nuova specie, ma di ottenere uno strumento per affinare la nostra comprensione dell'impalcatura più profonda del cosmo.
Il ruolo dell'Italia e le prospettive future
La comunità scientifica italiana, attraverso l'INFN, non solo coordina l'esperimento LHCb in questa fase, ma ha un peso specifico notevole all'interno della collaborazione, con una percentuale di ricercatori che supera quella di ogni altra nazione. Questo primato intellettuale e di risorse umane è un fattore chiave per il successo di imprese così complesse. La scoperta, ottenuta con i dati della prima annata di presa dati dopo l'upgrade, è solo l'inizio. I ricercatori stanno già setacciando i nuovi dati alla ricerca di altri membri di questa famiglia di particelle, e già si progetta un ulteriore miglioramento del rivelatore per la prossima decade, quando l'Lhc diventerà ad alta luminosità, producendo un numero di collisioni senza precedenti. Ogni nuova particella e ogni misura di precisione contribuiscono a costruire un quadro più nitido delle leggi che governano l'universo, un lavoro di paziente ricomposizione di un mosaico i cui pezzi, come questo nuovo barione, vengono scoperti uno a uno nei laboratori sotterranei al confine tra Francia e Svizzera.
