Search for charmonium(like) states in at BESIII
Utilizzando un campione di dati di 1667,4 pb raccolti a GeV con il rivelatore BESIII, una ricerca di stati di tipo charmonium che decadono in attraverso il processo non ha prodotto alcun segnale significativo, portando all'instaurazione di limiti superiori al livello di confidenza del 90% sul prodotto della sezione d'urto di produzione e della frazione di branching per potenziali stati -pari, inclusi e vari charmonia eccitati.
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Nel mondo subatomico, la materia è costruita da una piccola famiglia di particelle fondamentali chiamate quark. La maggior parte della materia che vediamo ogni giorno, come i protoni e i neutroni nei nostri corpi, è fatta di quark legati insieme in gruppi di tre. Tuttavia, le leggi della fisica permettono anche combinazioni più esotiche, come quattro quark tenuti insieme in un unico pacchetto. Queste rare formazioni sono note come tetraquark e si comportano diversamente dalla materia ordinaria con cui siamo familiari. Per decenni, i fisici hanno dato la caccia a questi stati insoliti, in particolare quelli che coinvolgono un tipo pesante di quark chiamato quark "charm". Un esempio famoso, scoperto vent'anni fa, è una particella chiamata X(3872). Essa si trova proprio al limite di dove due particelle pesanti possono appena stare insieme, portando gli scienziati a credere che possa essere una molecola debole composta da due particelle più piccole piuttosto che un nodo stretto di quattro quark. Se questa idea molecolare è corretta, la fisica prevede che debba esserci un partner più pesante di questa particella, situato a un'energia leggermente superiore, in attesa di essere trovato.
Un team di ricercatori che utilizza il rivelatore BESIII presso il Beijing Electron Positron Collider si è posto l'obiettivo di trovare questo partner previsto. Si sono concentrati nella ricerca su un livello di energia specifico dove la teoria suggeriva che potesse esistere una nuova particella, spesso chiamata X(4013). Questa particella ipotetica sarebbe una cugina pesante della X(3872), potenzialmente composta da due mesoni D neutri legati insieme. Per scorgere un riflesso di essa, gli scienziati hanno fatto scontrare elettroni e positroni a un'energia precisa di 4,682 GeV. Quando queste particelle collidono, possono talvolta produrre un lampo di luce — un fotone — e lasciare dietro di sé una particella pesante e instabile che si decompone rapidamente. I ricercatori hanno cercato specificamente eventi in cui un fotone veniva prodotto insieme a una particella che decadeva immediatamente in una coppia di mesoni D neutri, i quali a loro volta si rompevano in altre particelle che il rivelatore poteva tracciare.
Il team ha analizzato una massiccia collezione di dati, equivalente a 1.667,4 picobarn inversi di collisioni, per vedere se uno qualsiasi di questi eventi si raggruppasse attorno alla massa dove ci si aspettava di trovare la X(4013). Hanno anche cercato diversi altri tipi di particelle pesanti note che potrebbero esistere in questo stesso intervallo di energia, solo per essere scrupolosi. Dopo aver setacciato attentamente le collisioni e filtrato il rumore di fondo proveniente da altre comuni interazioni tra particelle, i ricercatori non hanno trovato prove della X(4013) o degli altri stati previsti. I dati non hanno mostrato alcun picco o segnale significativo che potesse indicare la presenza di queste nuove particelle. Invece di trovare una scoperta, l'esperimento ha stabilito limiti superiori rigorosi su quanto spesso queste particelle possano essere prodotte. Per la X(4013), il team ha determinato che, se esiste, viene prodotta così raramente che il suo tasso di produzione deve essere inferiore a 5,6 eventi per unità di energia di collisione, con un alto grado di confidenza statistica.
Questo risultato è significativo perché dice cosa non c'è, restringendo il campo per le teorie future. Sebbene la X(3872) rimanga un mistero che potrebbe essere uno stato molecolare, il suo partner più pesante, se segue le stesse regole, avrebbe dovuto essere visibile in questi dati. Il fatto che non sia stata vista suggerisce che o questa particella non esiste, o è molto più difficile da creare e rilevare di quanto previsto dai modelli attuali. I ricercatori hanno stabilito limiti anche per altre potenziali particelle pesanti, come le versioni eccitate delle famiglie eta-c e chi-c, non trovando segni di esse. Escludendo queste possibilità con alta precisione, lo studio fornisce una mappa più chiara per altri scienziati, mostrando che la ricerca di queste specifiche combinazioni di quark pesanti deve guardare altrove o considerare spiegazioni teoriche differenti. Il lavoro dimostra che gli attuali rivelatori sono abbastanza sensibili da trovare queste particelle se fossero presenti nelle quantità previste, e la loro assenza è un tassello prezioso per comprendere come la forza forte leghi la materia insieme.
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