X(3872): Una misteriosa particella dei primi giorni dell’universo

All’inizio dell’universo era ancora molto, molto caldo. A quel tempo, la materia non era costituita dalle particelle che conosciamo oggi, come i protoni o i neutroni. Se diventa troppo caldo per queste particelle (generalmente chiamate adroni), iniziano a bollire e a decomporsi nei loro componenti, come l’acqua diventa vapore. Per questo deve essere almeno 1,7 trilioni di Kelvin (3 trilioni di Fahrenheit) caldo, la cosiddetta temperatura di Hagedorn. Le particelle che poi galleggiano nel brodo, il plasma, sono da una parte i quark, dall’altra i gluoni. I gluoni sono normalmente la colla che tiene insieme i quark negli adroni. Nel plasma di quark-gluoni, invece, sono liberi – come i quark.

Se i ricercatori vogliono studiare la primissima storia dell’universo, devono capire come si comportano i quark e i gluoni nel loro plasma. Questo non è così facile, perché si ha bisogno di molta energia per produrre un tale plasma. Questo è provato per esempio negli acceleratori di particelle. Tuttavia, c’è un altro problema: ci sono così tante reazioni che è difficile isolare quelle individuali. Basta provare a catturare una singola molecola di vapore acqueo dal vapore di una sauna! I fisici del Large Hadron Collider del CERN sono riusciti a fare qualcosa di simile. Da 13 miliardi (1,3 * 109) di collisioni, in cui in ogni caso sono state create più di un quadrilione (1015) di particelle a vita breve, hanno rilevato un numero a tre cifre di particelle del tipo X(3872). Per confronto: un litro d’aria contiene circa 2,5*1019 particelle. I ricercatori hanno portato a termine il compito utilizzando un algoritmo di apprendimento automatico che hanno addestrato sui modelli di decadimento specifici di X(3872).

Ma perché questo sforzo per una particella che è nota dal 2003 e che decade estremamente veloce allo stesso tempo? Ciò che più affascina i ricercatori di X(3872) è la sua natura sconosciuta, simboleggiata dal segno X (il 3872 è la massa in MeV/c2). Infatti, non rientra nel quadro che i ricercatori si sono finora formati dei quark e del loro comportamento. Vengono in mente due possibilità per X(3872), entrambe molto eccitanti. In primo luogo, potrebbe essere una specie di molecola di mesoni D0 e anti-D0*. Poiché questi mesoni contengono il rarissimo quark charm, i ricercatori chiamano la molecola che ne deriva “charmonium”, proprio come un composto di elettrone e positrone viene chiamato “positronio”. Tuttavia, il fatto che i quark formino tali legami tra loro nel plasma di quark-gluoni sarebbe un comportamento inaspettato. Altrettanto inaspettato, ma secondo lo stato attuale delle conoscenze anche un po’ più probabile, è il fatto che abbiamo qui un cosiddetto tetraquark davanti a noi. Dal mondo normale si conoscono al massimo connessioni di tre quark (barioni) o di due quark (mesoni). La prima conferma dell’esistenza dei tetraquark è avvenuta solo nel 2016 al CERN. Per poter esplorare le proprietà esatte della X(3872), si ha bisogno di quante più copie possibili di essa. I fisici sono ora sulla buona strada per raggiungere questo obiettivo.

Sarebbe ora interessante scoprire se la colla nel minestrone quantistico a volte si raggruppa – se ci sono anche connessioni tra i gluoni, che sono appropriatamente chiamati glueballs. Questa sarebbe un’altra sensazione, perché i fotoni (particelle di luce), che sono paragonabili ai gluoni nel mondo normale e freddo, non hanno questa capacità. Nel 2021, ci sono state le prime indicazioni – sempre dal CERN – di una glueball composta da tre gluoni, gli “odderon”. Un composto di due gluoni sarebbe chiamato “pomerone”.

Le due possibili strutture di X(3872) (Immagine: CERN).

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BrandonQMorris
  • BrandonQMorris
  • Brandon Q. Morris è un fisico e uno specialista dello spazio. Si è occupato a lungo di questioni spaziali, sia professionalmente che privatamente, e mentre voleva diventare un astronauta, è dovuto rimanere sulla Terra per una serie di motivi. È particolarmente affascinato dal "what if" e attraverso i suoi libri mira a condividere storie avvincenti di hard science fiction che potrebbero realmente accadere, e un giorno potrebbero accadere. Morris è l'autore di diversi romanzi di fantascienza best-seller, tra cui The Enceladus Series.

    Brandon è un orgoglioso membro della Science Fiction and Fantasy Writers of America e della Mars Society.