Cosa è il Pentaquark

Scoperto poco tempo fa dal LHC,, era stato teorizzato cinquant'anni fa dal premio Nobel Murray Gell-Mann

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Cosa è il pentaquark?

di Oliver Melis

Nel 1964 Murray Gell-Mann del “California Institute of Technology”  e George Zweig, all’epoca al CERN di Ginevra, cercarono di spiegare l’esistenza di un piccolo numero di costituenti fondamentali della materia, che chiamarono “quark” (il nome è tratto da un passo del Finnegans Wake di James Joyce, e sarebbe la contrazione di question mark, ovvero punto interrogativo) e che consideravano i costituenti ultimi dei protoni e dei neutroni.

Per avere un quadro chiaro di cosa sono i quark immaginati dai due fisici oltre 50 anni fa dobbiamo soffermarci sulle forze fondamentali che agiscono nell’universo: la forza nucleare forte, che consente a protoni di restare uniti e formare cosi i vari nuclei atomici più pesanti dell’idrogeno, la sua azione è quella più forte tra le quattro. La seconda forza è quella chiamata nucleare debole, responsabile del decadimento radioattivo, infatti, alcuni atomi, essendo instabili perdono delle particelle sprigionando energia o creando altre particelle. La terza forza è quella eletromagnetica che fa si che gli elettroni stiano attorno al nucleo e la quarta, quella che oggi è preponderante nell’universo, in grado di agire su lunghissime distanze, la forza di gravità, la più debole tra le quattro forze.

Le particelle subnucleari soggette alla forza forte vengono dette adroni, i protoni, i neutroni e i mesoni con massa intermedia tra quelle dell’elettrone e del protone. Ci sono altre particelle meno conosciute, più instabili e ottenute come prodotto di collisioni ad alta energia.

Gli adroni non sono particelle elementari, perché sono formati da una diversa combinazione di un numero piccolo di costituenti fondamentali: i quark, appunto.
Verso la fine degli anni Sessanta vennero sparati elettroni ad alta energia contro protoni e neutroni e l’esperimento confermò dell’esistenza dei quark.

Oggi sono stati classificati sei tipi diversi di quark: su (u), giù (d), incanto (c), strano (s), basso (b) e alto (t), che si distinguono per massa e carica elettrica.
Queste, in breve, le loro caratteristiche:
1. quark Up (quark su), detto anche quark-u. Ha massa di 910^(?30) kg; 
2. quark Down (quark giù), detto anche quark-d. Ha massa di 1,810^(?29) kg;

3. quark Strange (quark strano), detto anche quark-s. Ha massa di 3,5 * 10^(?28) kg;
4. quark Charm (quark incanto), detto ache quark-c. Ha massa di 2,3 * 10^(?27) kg;
5. quark Bottom (quark sotto), detto anche quark-b. Ha massa di 7,7 * 10^(?27) kg;
6. quark Top (quark sopra), detto anche quark-t. Ha massa di 3,1 * 10^(?25) kg.

Oltre a questi il fisico e premio Nobel Murray Gell-Mann aveva teorizzato l’esistenza di una particella che chiamò ”pentaquark”, composta da cinque quark. Murray è da poco venuto a mancare ma la sua particella è stata individuata dall’esperimento Lhcb, uno dei quattro grandi esperimenti installati presso l’anello di 27 chilometri del Large Hadron Collider chiamato anche Lhc, al Cern di Ginevra, che ha annunciato di aver osservato con maggiore precisione un nuovo pentaquark, già rilevato nel 2015, e di averne studiato meglio la struttura.

L’esperimento Lhcb ha confermato la struttura del pentaquark, composta da cinque quark, così come era stata pensata, i risultati dell’esperimento sono consultabili su Physical Review Letters.

La nuova particella, chiamata Pc(4312)+, non è stabile e decade in un protone e una particolare particella composta da due quark. Questa osservazione ha una significatività statistica di 7,3 sigma (cioè precisissima), superiore alla soglia dei 5 sigma (soglia famosa per chi ha seguito la vicenda del bosone di Higgs). Questa stima indica un’accuratezza della misura davvero elevata – in pratica la probabilità di ottenere questo risultato in assenza della particella è pressoché pari a zero.

I ricercatori hanno scoperto che il pentaquark è composto da due set di quark legati tra di loro. La prima coppia forma un mesone, una particella subatomica composta da un quark e un antiquark, e il secondo è un barione, composto da tre quark – un esempio di barione è il protone o il neutrone che compongono la materia detta “barionica” cioè pesante.

In particolare, ci sono due interpretazioni. “I quark potrebbero essere saldamente legati”, ha sottolineato il fisico Liming Zhang dell’università Tsinghua a Pechino, “oppure potrebbero essere legati debolmente come in una molecola composta da un mesone e un barione. In questo stato il mesone e il barione sono tenuti insieme da una forza residua forte simile a quella che lega i protoni e i neutroni per formare il nucleo di un atomo”.

L’ultimo studio conferma che il pentaquark non è solo la somma di questi cinque quark, riuniti in modo casuale, ma che la struttura potrebbe somigliare ed essere organizzata come quella che si osserva nel nucleo di un atomo, che vede i protoni e i neutroni legati saldamente insieme, ma la conferma delle teorie deve arrivare da altri studi che verranno in seguito effettuati dai ricercatori.

Per finire, il gruppo di ricerca del Lhcb conferma la composizione dei quark, ovvero quali tipologie di quark costituiscono la nuova particella. I quark, come abbiamo visto in apertura dell’articolo non sono tutti uguali e i cinque quark che compongono il pentaquark sono: due quark up, un quark down, un quark charm e un quark anti-charm.

Fonte: www.galileonet.it