L’enigmatica particella Ξ(2030), un tempo ritenuta composta da tre quark, potrebbe in realtà essere un pentaquark molecolare, un adrone esotico composto da cinque quark.

 

 

L’enigmatica particella Ξ(2030), un tempo ritenuta composta da tre quark, potrebbe in realtà essere un pentaquark molecolare, un adrone esotico composto da cinque quark.

Questa è la conclusione dei fisici cinesi Cai Cheng e Jing-wen Feng della Sichuan Normal University e di Yin Huang della Southwest Jiaotong University.

Hanno impiegato una teoria semplificata dell’interazione forte per calcolare il tasso di decadimento dell’adrone esotico, concludendo che comprende cinque quark.

L’Ξ(2030) prende il nome dalla sua massa in megaelettronvolt ed è stato scoperto per la prima volta al Fermilab nel 1977.

A quel tempo, l’idea di adroni esotici che non rientravano nella classificazione convenzionale mesone-barionica non era ampiamente accettata. Convenzionalmente, un mesone comprende un quark e un antiquark e un barione contiene tre quark.

Deviazione dal modello a tre quark

Di conseguenza, in base alle sue proprietà, la comunità scientifica ha classificato la particella come un barionico, simile ai protoni e ai neutroni.

Tuttavia, ulteriori indagini al CERN, allo SLAC e al Fermilab hanno rivelato che le proprietà di interazione della particella si discostano in modo significativo da ciò che il modello a tre quark prevedeva, portando gli scienziati a mettere in discussione la sua natura a tre quark.

Per affrontare questo problema all’inizio di quest’anno, Yin Huang e il collega Hao Hei hanno proposto che l’Ξ(2030) potrebbe essere un pentaquark molecolare, suggerendo che sia costituito da un mesone e un barione debolmente legati insieme dalla forza nucleare forte.

Nel presente studio, Cheng, Feng e Huang hanno elaborato questa idea, analizzando un modello in cui la particella è composta da un mesone K, che contiene un antiquark strange e un quark leggero (sia in alto che in basso), insieme a un barione Σ che comprende un quark strange e due quark leggeri.

Per fare lo studio, il team ha dovuto utilizzare un approccio semplificato per calcolare le interazioni forti.

Questo perché la cromodinamica quantistica, la teoria completa che descrive tali interazioni, è troppo complessa per calcoli dettagliati delle proprietà adroniche.

Il loro approccio si concentra sugli adroni piuttosto che sui quark e gluoni fondamentali che li compongono. Hanno calcolato le probabilità che l’Ξ(2030) decada in varie particelle fortemente interagenti, inclusi i mesoni π e K, nonché i barioni Σ e Λ.

“È confermato che questa particella è uno stato molecolare adronico e il suo nucleo è composto principalmente da componenti K e Σ”, spiega Feng.

“I principali canali di decadimento sono K+Σ e K+Λ, che sono coerenti con i risultati sperimentali. Questa conclusione non solo approfondisce la nostra comprensione della struttura interna dell’Ξ(2030), ma supporta anche ulteriormente l’applicabilità del concetto di stato molecolare adronico nella fisica delle particelle”.

Durata estremamente breve

La particella Ξ(2030) ha una vita estremamente breve di circa 10-23 s , rendendo difficile lo studio sperimentale.

Di conseguenza, la misurazione delle sue proprietà può essere imprecisa.

L’incertezza che circonda queste misurazioni significa che i confronti con i risultati teorici non sono sempre conclusivi, indicando che un ulteriore lavoro sperimentale è essenziale per convalidare le affermazioni del team riguardo all’interazione tra il mesone e i barioni che compongono l’Ξ (2030).

“Tuttavia, la verifica sperimentale richiede ancora tempo, coinvolgendo la cooperazione multilaterale e la pianificazione dettagliata, e può anche richiedere innovazione tecnologica o miglioramento delle attrezzature sperimentali”, ha affermato Huang.

Nonostante le sfide, i ricercatori non stanno mettendo in pausa le loro indagini teoriche.

Hanno in programma di approfondire la struttura dell’Ξ(2030) perché la natura complessa della particella potrebbe fornire preziose informazioni sull’interazione forte subatomica, che rimane poco compresa a causa della complessità della cromodinamica quantistica.

“Gli studi attuali hanno dimostrato che, sebbene il tasso di decadimento totale di Ξ(2030) calcolato teoricamente sia sostanzialmente coerente con i dati sperimentali, la leggera differenza rivela la complessità della struttura interna della particella”, ha concluso Feng.

“Questa importante scoperta non solo rafforza l’ipotesi di Ξ(2030) come stato molecolare mesone-barionico, ma suggerisce anche che la particella può contenere componenti aggiuntivi, come una possibile configurazione di triquark”.

Inoltre, la conclusione stessa riguardo alla struttura molecolare del pentaquark di Ξ(2030) merita un ulteriore esame.

La teoria efficace impiegata dagli autori si basa su dati provenienti da altri esperimenti con particelle fortemente interagenti e include un parametro appropriato non derivato dai principi fondamentali della cromodinamica quantistica.

Ciò solleva la possibilità di strutture alternative per Ξ(2030).

“Forse Ξ(2030) è uno stato molecolare, ma questo significa spiegare perché K e Σ dovrebbero rimanere insieme: [Cheng e colleghi] forniscono una spiegazione, ma il loro meccanismo non è convalidato rispetto ad altre osservazioni, quindi è impossibile valutarne la plausibilità”, ha detto Eric Swanson dell’Università di Pittsburgh, che non è stato coinvolto nello studio.

Immagine: Daniel Dominguez/CERN