Measurement of $e^{+} e^{-}\to p\bar{p}$ around $\psi(2S)$ with scan method

Nel cuore della materia, dove protoni e neutroni sono costruiti da particelle ancora più piccole chiamate quark, esiste un insieme di regole che governa il modo in cui questi minuscoli pezzi si legano e si separano. Queste regole sono descritte da una teoria chiamata Cromodinamica Quantistica, che funge da manuale di istruzioni per la forza forte, la colla più potente dell'universo. Sebbene questa teoria funzioni perfettamente in alcune situazioni, diventa incredibilmente difficile da risolvere quando le particelle si muovono lentamente o interagiscono in modi complessi. I fisici sono da tempo affascinati da una specifica famiglia di particelle chiamata charmonium, composte da un pesante quark charm e dal suo gemello di antimateria. Queste particelle sono abbastanza pesanti da essere studiate con alta precisione, ma abbastanza leggere che le regole disordinate e complesse della forza forte ne dominano ancora il comportamento. Osservando come queste particelle vengono create e come decadono in altre particelle, gli scienziati sperano di scoprire la meccanica nascosta della forza forte e di vedere come essa competa con la forza elettromagnetica, la stessa forza che fa aderire i magneti e crea i fulmini.

Uno studio recente della Collaborazione BESIII ha gettato un nuovo sguardo su una di queste particelle di charmonium, nota come psi-2S. Questa particella è una versione leggermente più pesante della famosa particella J/psi ed è instabile, il che significa che si frammenta rapidamente in altre particelle. I ricercatori erano particolarmente interessati a ciò che accade quando la psi-2S decade in un protone e un antiprotone. Nel mondo della fisica delle particelle, questo decadimento può avvenire in due modi diversi contemporaneamente: o attraverso la forza forte, che comporta lo scambio di gluoni, o attraverso la forza elettromagnetica, che coinvolge un fotone virtuale. Poiché entrambi i processi possono verificarsi simultaneamente, essi interferiscono tra loro, proprio come due increspature in uno stagno che si incontrano per creare un nuovo schema. La chiave per comprendere questa interazione risiede nella misurazione del tempo relativo, o fase, tra queste due forze. Se la temporizzazione è errata, le forze potrebbero annullarsi a vicenda; se sono allineate, potrebbero potenziare il risultato. Determinare questa temporizzazione è cruciale perché aiuta i fisici a capire se la forza forte e quella elettromagnetica si comportano in modo prevedibile e universale o se ci sono sorprese nascoste nei dettagli.

Per risolvere questo enigma, il team non si è affidato a un singolo scatto di dati. Al contrario, ha eseguito una scansione accurata, raccogliendo dati a nove livelli di energia leggermente diversi attorno alla massa della particella psi-2S. Questo metodo ha permesso loro di mappare la forma esatta della risonanza, ovvero il picco nei dati che segna la presenza della particella. Analizzando come il numero di coppie protone-antiprotone cambiava mentre attraversavano questi livelli di energia, i ricercatori sono stati in grado di separare i contributi della forza forte, della forza elettromagnetica e di un processo di fondo che avviene anche senza la risonanza. Hanno utilizzato il rivelatore BESIII, un imponente strumento situato presso il Collisore Elettrone-Positrone di Pechino, per registrare le collisioni. Il rivelatore agisce come una gigantesca fotocamera ad alta velocità che traccia i percorsi delle particelle cariche e ne misura l'energia, permettendo al team di identificare gli eventi specifici in cui sono stati creati un protone e un antiprotone.

Dopo aver raccolto un totale di 495 picobarn inversi di dati, il team ha applicato criteri rigorosi per garantire di osservare gli eventi corretti. Hanno filtrato i raggi cosmici e il rumore di fondo, concentrandosi solo sulle coppie di particelle che corrispondevano al comportamento atteso di un protone e di un antiprotone. L'analisi ha rivelato un segnale chiaro, con il numero di eventi rilevati che saliva e scendeva secondo un modello che corrispondeva alle previsioni teoriche per la risonanza psi-2S. I ricercatori hanno poi utilizzato un sofisticato modello matematico per adattare la forma di questi dati, estraendo i valori dei parametri fisici sottostanti. Hanno scoperto che la fase relativa tra le ampiezze della forza forte e di quella elettromagnetica non è zero o centottanta gradi, come suggerirebbero alcune teorie semplici, ma si colloca in un valore di circa centosei gradi o meno centocinque gradi. Queste due soluzioni rappresentano due modi diversi in cui la matematica può funzionare, ma entrambe puntano alla stessa realtà fisica: le due forze sono quasi perpendicolari tra loro nel loro tempo.

Con questa misurazione della fase in mano, il team ha calcolato la probabilità, o frazione di ramificazione, che la psi-2S decada in un protone e un antiprotone. Hanno scoperto che questa probabilità è di circa tre virgola ventuno volte dieci alla meno quarta, o tre virgola quarantasette volte dieci alla meno quarta, a seconda di quale dei due risultati matematici viene scelto. Questi risultati sono leggermente superiori alle misurazioni precedenti ma rimangono coerenti entro il margine di errore. Lo studio ha fornito anche una nuova, precisa misurazione del fattore di forma efficace, una quantità che descrive la struttura interna del protone come vista dalle particelle collidenti. I risultati hanno mostrato una curva fluida che si allinea bene con le scoperte precedenti di altri esperimenti, colmando una lacuna nei dati intorno alla regione di energia della psi-2S.

La significatività di queste scoperte risiede nella loro capacità di testare i limiti della nostra attuale comprensione. Il fatto che la fase non sia zero suggerisce che l'idea semplice che le forze forte ed elettromagnetica siano perfettamente in sincronia o perfettamente fuori sincrono sia errata. Invece, i dati supportano un quadro più complesso in cui queste forze interagiscono in un modo che è universale attraverso diversi tipi di decadimenti di particelle. Sebbene la ragione esatta di questo angolo specifico rimanga un mistero che i fisici teorici devono spiegare, la misurazione sperimentale fornisce un'ancora solida per le teorie future. Confermando che l'interferenza tra queste forze segue un modello prevedibile, lo studio aiuta a perfezionare i modelli che descrivono come la materia sia costruita partendo dalle fondamenta. Il lavoro è una testimonianza della potenza della misurazione di precisione, mostrando come la scansione attenta del panorama energetico possa rivelare i ritmi sottili e nascosti del mondo subatomico.