Measurements of the branching fractions of \boldmath $χ_{cJ}\toΣ^0\barΣ^0η$

Nel profondo del tessuto dell'universo, la materia è tenuta insieme da una forza così potente da legare i nuclei stessi degli atomi. Questa forza, nota come interazione forte, è governata da un insieme di regole chiamate cromodinamica quantistica. Sebbene gli scienziati abbiano padroneggiato la matematica di questa forza alle alte energie, il regno delle basse energie rimane un paesaggio nebbioso di misteri. Qui, le particelle non si comportano come semplici palle da biliardo; esse ruotano e interagiscono in modi complessi che sono difficili da prevedere. Per mappare questo territorio nascosto, i fisici utilizzano spesso particelle speciali e a breve durata di vita chiamate stati di charmonium. Questi sono come piccoli laboratori pesanti creati negli acceleratori di particelle, dove un quark charm e il suo partner di antimateria, l'antiquark charm, orbitano l'uno attorno all'altro. Quando queste coppie decadono, si frammentano in altre particelle, offrendo uno sguardo sulle regole che governano la loro disintegrazione. Studiando esattamente come queste coppie pesanti si frammentano, i ricercatori possono testare i limiti della loro attuale comprensione e cercare crepe nella teoria che potrebbero indicare una nuova fisica.

Un ricercatore che utilizza il rivelatore BESIII al collisore BEPCII a Pechino ha recentemente illuminato un angolo precedentemente oscuro di questo paesaggio. Ha analizzato una vasta collezione di dati contenente oltre 2,7 miliardi di collisioni di elettroni e positroni. Da questo immenso dataset, si è concentrato su un tipo specifico di particella pesante noto come $\chi_c$, che si presenta in tre varietà leggermente diverse distinte dal loro spin. Il ricercatore cercava un evento specifico e raro: il momento in cui una di queste particelle $\chi_c$ decade in un trio di altre particelle — un barione sigma neutro, il suo gemello di antimateria e un mesone eta neutro. Finora, questo specifico decadimento non era mai stato visto, né in esperimenti né in calcoli teorici. Il ricercatore ha ricostruito questi eventi tracciando i detriti lasciati dietro, cercando specificamente un modello di firma di protoni, antiprotoni, pioni e cinque fotoni che confermasse la presenza delle particelle desiderate.

Dopo aver setacciato miliardi di collisioni, il ricercatore ha riportato le prime osservazioni di questo decadimento per tutte e tre le varietà della particella $\chi_c$, con significatività statistiche rispettivamente di $7,2\sigma$, $5,7\sigma$ e $6,7\sigma$. Sebbene questi risultati siano abbastanza forti da rivendicare le prime osservazioni, il ricercatore ha notato che l'evidenza per un canale ($5,7\sigma$) è leggermente al di sotto della tipica soglia di $6\sigma$ spesso usata per osservazioni definitive in alcuni contesti. Ha misurato quanto spesso questo decadimento avviene rispetto al numero totale di particelle $\chi_c prodotte, determinando la probabilità, o frazione di ramificazione, per ogni caso. Per la prima varietà, il decadimento avviene circa 9,7 volte ogni 100.000 particelle$\chi_c$. Per la seconda varietà, avviene circa 4,9 volte ogni 100.000, e per la terza, circa 6,1 volte ogni 100.000. Questi numeri forniscono i primi dati concreti per questa specifica interazione, permettendo ai fisici di confrontare come i diversi stati di spin della particella madre influenzino l'esito.

Il ricercatore ha anche esaminato la disposizione delle particelle mentre si allontanavano per vedere se stessero formando strutture intermedie temporanee, come un nuovo tipo di particella eccitata. Ha osservato attentamente le combinazioni di massa delle particelle nel gruppo finale, cercando eventuali ammassi o risonanze inaspettate che potessero segnalare un nuovo stato della materia. I dati non hanno mostrato strutture significative nelle distribuzioni di massa delle coppie di particelle con l'attuale statistica; le particelle sembrano emergere direttamente dal decadimento senza formare alcun passaggio intermedio. Questa assenza di nuove strutture è importante tanto quanto la scoperta del decadimento stesso, poiché esclude certi modelli teorici che prevedevano l'esistenza di tali stati intermedi. Inoltre, confrontando questi risultati con misurazioni precedenti di decadimenti simili che coinvolgono particelle cariche, il ricercatore ha scoperto che i tassi corrispondevano alle aspettative basate sulla simmetria della natura nota come isospin. Ciò suggerisce che la forza forte tratti queste diverse combinazioni di particelle con una mano coerente, rafforzando il modello standard della fisica delle particelle.

Le scoperte offrono anche un indizio sottile sulla meccanica interna di questi decadimenti. Quando il ricercatore ha confrontato la forza del decadimento per le diverse varietà di spin, ha notato che la prima varietà si comportava diversamente dalle altre due. Questa differenza di comportamento suggerisce che la prima varietà potrebbe mescolarsi con un altro tipo di particella più esotica prevista dalla teoria, o che decada attraverso un meccanismo unico. Sebbene i dati non confermino esattamente cosa stia accadendo, forniscono un tassello cruciale del puzzle. La scoperta di questi decadimenti, insieme alle misurazioni precise dei loro tassi, fornisce ai teorici un nuovo parametro di riferimento per testare i loro modelli. Conferma che la forza forte opera in un modo che permette a queste specifiche combinazioni di formarsi, pur restringendo contemporaneamente la ricerca delle ragioni profonde dietro le differenze nel modo in cui queste particelle si frammentano. Mentre il campo avanza, queste misurazioni serviranno da base per futuri esperimenti volti a svelare i rimanenti misteri dell'interazione forte.