Observation of double production in collision at
L'esperimento BESIII riporta l'osservazione di una significativa produzione di doppio- in collisioni a , misurando un rapporto di circa il 40,4% che si allinea con i tassi di produzione di doppio- e sfida le attuali previsioni teoriche riguardanti l'adronizzazione dei quark.
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Per comprendere come sia costruito l'universo visibile, i fisici devono guardare agli ingredienti più fondamentali: i quark. Questi sono particelle minuscole ed elusive che non esistono mai da sole in natura. Invece, sono legati insieme da una forza potente chiamata interazione forte, che agisce come una colla invisibile, costringendoli ad ammassarsi in particelle composte note come adroni. Questo processo di legame, chiamato adronizzazione, è uno degli aspetti più complessi e difficili da calcolare della teoria che governa queste forze, nota come cromodinamica quantistica. Sebbene gli scienziati comprendano da tempo come singole coppie di quark e dei loro corrispettivi di antimateria, gli antiquark, si trasformino in particelle, un mistero più profondo rimane: cosa succede quando due di tali coppie vengono create contemporaneamente? Si trasformano semplicemente in particelle in modo indipendente, o si influenzano a vicenda in modi inaspettati? Rispondere a questa domanda è cruciale perché mette alla prova i limiti della nostra attuale comprensione di come la materia si formi dalla pura energia.
Un team di ricercatori che utilizza il rivelatore BESIII presso l'Istituto di Fisica delle Alte Energie di Pechino ha ora compiuto un passo significativo verso la risoluzione di questo enigma. Hanno concentrato la loro attenzione su un tipo specifico di quark chiamato quark strange. Collisionando elettroni con i loro partner di antimateria, i positroni, a un livello di energia preciso di 3,08 miliardi di elettronvolt, hanno creato le condizioni in cui potevano essere prodotte coppie di quark strange e antiquark. I ricercatori cercavano un evento raro in cui due di tali coppie venissero create simultaneamente. In questi eventi, una coppia formerebbe una particella chiamata mesone phi, che è essenzialmente uno stato legato di un quark strange e di un antiquark strange. L'altra coppia si trasformerebbe poi in un set diverso di particelle, come altri mesoni o coppie di kaoni, che sono particelle che contengono anch'esse quark strange.
Il team ha analizzato una vasta collezione di dati di collisione, esaminando milioni di eventi per trovare queste specifiche firme di doppia produzione. Hanno ricostruito attentamente i percorsi delle particelle emergenti dalle collisioni, identificando il mesone phi attraverso il suo decadimento in due particelle cariche e cercando le particelle strange accompagnatorie nei resti della collisione. Dopo aver filtrato il rumore di fondo e aver tenuto conto dei processi fisici noti, hanno trovato prove chiare del fatto che questo evento di doppia produzione avviene frequentemente. Hanno misurato che, quando viene prodotto un mesone phi, c'è una probabilità del 40,4 percento che esso sia accompagnato da un altro set di particelle contenenti una seconda coppia di quark strange. Questo risultato non è un'ipotesi teorica o una simulazione al computer; è una misurazione diretta derivata da dati sperimentali reali.
Questa scoperta è significativa perché rispecchia un mistero simile e di lunga data osservato con i quark charm, che sono molto più pesanti dei quark strange. Esperimenti precedenti con i quark charm hanno mostrato che anche essi producono doppie coppie molto più spesso di quanto previsto dalle teorie standard. La nuova misurazione dei quark strange mostra che questa produzione "in eccesso" non è unica per le particelle pesanti, ma è una caratteristica generale del modo in cui i quark si comportano durante l'adronizzazione. Il fatto che il tasso osservato sia così elevato suggerisce che i nostri attuali modelli matematici della forza forte stiano perdendo un tassello fondamentale del puzzle. I dati indicano che, quando i quark vengono creati in coppie, non si disperdono semplicemente in modo casuale per formare particelle; invece, sembra esserci una correlazione nascosta o un meccanismo dinamico che incoraggia la produzione simultanea di coppie aggiuntive.
I ricercatori non hanno scoperto una singola nuova particella o una nuova forza della natura. Invece, hanno fornito un numero preciso che sfida le teorie esistenti. Confermando che la doppia produzione di quark strange avviene a un tasso di circa il 40 percento, hanno aggiunto un dato critico che qualsiasi futura teoria della forza forte dovrà spiegare. Questo lavoro non risolve il mistero dell'adronizzazione, ma stabilisce fermamente che il fenomeno è reale e sostanziale. Costringe i fisici a riconsiderare come i quark interagiscono nel regime non perturbativo, dove le forze sono così intense che i calcoli semplici falliscono. Il risultato funge da chiaro punto di riferimento per i teorici, indicando che le regole che governano il modo in cui la materia si forma dall'energia sono più intricate e interconnesse di quanto precedentemente creduto.
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