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L'importanza del Pentaquark

La Simmetria e' tutto
La Simmetria e' tutto

Proseguiamo la descrizione dei risultati dello straordinario mese scientifico di Luglio 2015 con la decrizione della scoperta del Pentaquark in LHCb.

In natura esistono neutroni e protoni, e assieme formano il nucleo degli atomi che formano ogni cosa. Esistono anche varianti più esotiche di questi, come gli iperioni, che vivono solo per qualche istante. Tutti questi hanno in comune l’essere formati da tre quark, e vengono genericamente classificati come Barioni. Esistono anche diverse particelle, già classificate da tempo, formate da due quark, i Mesoni. Anch’essi hanno vita breve ma vengono costantemente prodotte nei raggi cosmici e per questo motivo sono state la nostra porta d’ingresso nel mondo della fisica delle particelle.

Il pentaquark è invece uno stato di materia formata da cinque quark e (forse) non si era mai visto prima.

E' un caso interessante perchè innanzitutto una scoperta storicamente controversa: il pentaquark è una particella ipotizzata da più di mezzo secolo, nel 1964 da Gell-Mann per la precisione. Seguendo quell’intuizione teorica, i fisici sperimentali hanno cercato le tracce di tali ipotesi per lungo tempo, fino all’annuncio della scoperta di due pentaquark a 1.5 e 3 GeV da parte del gruppo giapponese LEPS nel 2003. Tuttavia queste due particelle non sono mai state riprodotte da nessun altro laboratorio, e la comunità scientifica ha rigettato i risultati fra il 2006 e il 2009 e si iniziava a dubitare della sua stessa esistenza. Quindi c’è stato grande fermento nella comunità scientifica, quando il 14 Luglio 2015 LHCb ha annunciato la scoperta del pentaquark a energia più alta (4.4 GeV).

L’interazione forte

L’importanza dell’esistenza del pentaquark, e il motivo per cui è necessaria una sua verifica sperimentale risiede nello studio della forza che lega i quark assieme e conferisce la maggior parte della massa a ciò che ci circonda: l’interazione forte, che è davvero particolare.

La forza di Coulomb e quella di Newton hanno la caratteristica molto intuitiva di non agire infinitamente lontano e essere massima da vicino, tendendo così ad attirare i corpi verso il centro (di carica o di massa) del sistema quanto più sono vicini ad esso. La Terra subisce una forte attrazione dalla grande massa del Sole, un’attrazione consistente dalla piccola massa della Luna (che è molto più vicina), ma subisce in pochissima misura l’attrazione di altri pianeti, satelliti e Stelle lontane.

L’interazione forte invece utilizza un diverso sistema per legare i quark assieme: è infinitamente forte infinitamente lontano, ed è più modesta da vicino (e a energie più grandi). Funzionando in modo simile a una molla quanto più i quark vengono separati gli uni dagli altri, tanto più cercano di ritornare vicini. Questo processo viene chiamato **libertà asintotica, **e ha valso il premio Nobel 2004 a Wilczek, Gross e Polizek.

Per lo stesso processo viene generato la gran parte del peso di ogni cosa. Dato che, l’energia viene trasformata in massa, per questo motivo ogni cosa è lievemente più leggera rispetto alla somma delle sue parti (notoriamente lo sono i nuclei atomici). Ma se l’energia a grande distanza è più grande dell’energia a breve distanza, allora i sistemi compatti guadagnano massa a discapito dell’energia che avrebbero se fossero separati. Infatti, sebbene i quark up e down pesano, grazie al meccanismo di Higgs, circa 2 e 5 MeV rispettivamente, l’unione di 2 quark up e 1 quark down per formare un protone non pesa 9 MeV ma ben 938!

Il tanto ricercato Bosone di Higgs che da massa alle particelle, in realtà contribuisce solo per l'1% della massa del tuo corpo e di tutto ciò che ti sta attorno, il 99% è fatto dall’interazione forte! Quindi congratulazioni LHC per aver scovato quell'1%, ma è il restante 99% che intriga di più, e tutte le sue incognite che ancora si porta appresso.

questa equazione e' tutto il resto

questa equazione e' tutto il resto

Infatti, sebbene il processo alla base dell’interazione forte sia stato ben compreso, l’effettivo utilizzo di questa comprensione per calcolare e predire dei risultati non è molto semplice e richiede enormi risorse. Infatti una completa descrizione di un sistema fisico reale richiede il calcolo di infiniti termini e questo non permette l’utilizzo della primitiva forma dell’interazione forte in sistemi realistici a molte componenti, se non in situazioni estreme in cui diventano possibili semplificazioni. Quindi la predizione delle proprietà esatte di un sistema a 5 quark sono fuori dalla nostra portata. Frank Wilczek ha scritto un bell’articolo divulgativo a tal proposito (a parte un imperdonabile errore su una citazione Guerre Stellari, shame on you Wilczek!).

Tuttavia la nostra ignoranza sul pentaquark sancisce anche l’importanza della sua scoperta. Venire a conoscere, per via sperimentale, le proprietà del pentaquark implica aggiungere molta informazione sui sistemi a molti quark. Poter calibrare le caratteristiche dei sistemi a 2, 3 e 5 quark aumenta enormemente la nostra possibilità di estrapolare le proprietà dell’interazione forte facendo un passo verso i sistemi più pesanti e importanti, come nuclei atomici.

La Statistica

Dato questo meccanismo “a molla” dell’interazione fra i quark, isolare un quark non è possibile in quanto richiederebbe infinita energia tenerlo separato dai suoi amici; questo rende lo studio dell’interazione forte un lavoro certosino di collezionismo.

Quando si prova a calciare un quark fuori dal suo sistema confinato di provenienza, l’attrazione verso quest’ultimo cresce tanto più quanto cresce la distanza. Ma il quark che è stato calciato si sente solo e, quando l’energia diventa sufficientemente grande, compensa alla solitudine creando coppie di quark e antiquark per fargli da amici, costruendo un effettivo ponte che diminuisca la distanza fra lui e il quark più vicino e quindi tenendo limitata l’energia dell’interazione. Questo crea un getto di particelle.

Quando al CERN, RHIC e negli altri laboratori di fisica delle particelle scoprono una nuova particella (un bosone, un mesone, un barione o un pentaquark), quello che fanno non è rilevare la singola particella in quanto è impossibile, ma:

  • mandare tutto in pezzi facendo collidere due protoni, due nuclei di piombo…etc… con un'acceleratore di particelle in modo che i quark vengano calciati e isolati e creino un getto di particelle;
  • raccogliere tutto il getto di particelle, per quanto possibile, con giganteschi e sofisticatissimi rivelatori, come Atlas;
  • ricostruire l’origine di questo getto, come se fosse un esame balistico che dai frammenti di una bomba ricostruisce l’origine e l’energia dell’esplosione, grazie a potenti sistemi di calcolo (ed è per questo che è nato il www!);
  • usare la nostra conoscenza pregressa e l’intuizione fisica per vedere se è qualcosa che conosciamo oppure no, un dato che ha senso fisico oppure da scartare, qualcosa che stavamo cercando o qualcosa che non sappiamo neanche spiegarci.

Ora, in tutto questo processo facilmente qualcosa può andare storto, perchè ognuno di questi processi è intrisecamente statistico. Le esatte proprietà della collisione, catturare tutte le particelle e non avere particelle estranee alla collisione sotto esame sono eventi soggetti alla statistica. C’è solo una percentuale di probabilità che la collisione desiderata sia avvenuta, una percentuale di probabilità che si siano notate tutte le particelle relative e solo quelle. Con questa realtà in mente, perfino l’analisi dati a posteriori introduce errori statistici.

Quindi, in realtà, quando si “scopre” una nuova particella in un rivelatore, a causa di questi fatti, si ha solo una probabilità che la scoperta sia avvenuta. Questa probabilità per annunciare una scoperta è determinata dal criterio di, che corrisponde a una probabilità inferiore a 1 su 1 milione e 700 mila che ci si sta sbagliando.

Questo (forse unito a una buona dose di ottimismo) può essere il motivo per cui i Giapponesi, e solo loro, hanno annunciato il pentaquark anche se probabilmente era un sbaglio. Avevano solo una sicurezza di che il pentaquark esistesse, ovvero una probabilità su 15 mila di sbagliarsi. Passabile, ma forse non abbastanza.

In LHCb dovevano essere ben sicuri di non sbagliarsi ancora, per evitare goffi scivoloni. Infatti hanno aspettato finchè la statistica di rivelazione garantisse una determinazione del pentaquark entro, ovvero la probabilità di sbagliarsi è adesso 1 su 1360000000000000000000000000000000000000000000000000.

Possiamo stare tranquilli, no?!

Comments

Comment by Vittore on 2015-08-07 16:09:57 +0000

Bellissimo l’articolo di Wilczek, complimenti anche per il panegirico sul Pentaquark non e` male come scoperta.

Spero di non tediarti con domande troppo ingenue ma ne avrei una: ho visto (per la prima volta in vita mia) il diagramma di fase della QCD; nell’articolo si afferma che a temperature piu` basse di ~1.74*10^12 Kelvin esistono “3 degrees of freedom”, i pioni, mentre a temperature piu` elevate (ma non troppo T < 2.9*10^12 K) aumenta il calore specifico. La domanda e`: significa questo che tutti i barioni sono stati creati in condizioni di temperatura cosi` elevate?

Se si, ho letto in un libro che la temperatura delle supernove raggiunge i 10^11 K, quindi nemmeno li` i barioni potrebbero essere stati creati, corretto?

Se si esclude il big-bang, ci sono altre condizioni in cui potrebbero essere stati creati?

Comment by Andrea on 2015-08-11 08:27:24 +0000

Ciao Vittore, grazie mille del commento! Scusa il ritardo ma sono in vacanza! 🙂

Servirebbe un esperto di Bariogenesi per darti una risposta affidabile a una domanda tutt’altro che banale come quella. Quello che io so è un po' di riflesso dagli studi della nucleosintesi, spero di soddisfarti comunque! 🙂

Che io sappia, ma non sono aggiornatissimo, il nucleo grosso della bariogenesi è relativo al big bang e si studia in relazione anche alla asimmetria fra materia-antimateria e quindi violazione delle simmetrie di CPT. Quello è sicuro, però ci possono essere altre fonti ipotizzate.

Ovvero come fai notare tu servono temperature elevatissime irraggiungibili anche a processi stellari per sondare il diagramma di fase QCD. Per quanto ne sappiamo ora l’interno di una supernova non si trasforma in una palla di Quark Gluon Plasma ma rimane adronizzata formando una proto-neutron star che emette un mare di neutrini, oppure collassa gravitazionalmente in un buco nero che sonda altro tipo di fisica. Però attenzione, il cuore è a temperature più basse rispetto ai 10^12 K, ma a pressioni e potenziali chimici molto alti, ci sono proposte di alcuni modelli con fenomeni di superfluidità di colore e rimescolamento barionico in cui il core delle stelle di neutroni è composto da materia strana e quindi si assiste in una bariogenesi di iperioni e altri barioni a partire dai protoni e neutroni.
Dipende dall’equazione di stato della materia nucleare fondamentalmente, se è soft il core collassa di più e si assistono a condizioni più estreme, se è più dura invece l’onda d’urto rimbalza verso l’esterno senza impattare molto sul core della proto-neutron star. Non mi pare che i modelli soft vadano per la maggiore negli ultimi anni e sono stati un po' esclusi dallo studio delle proprietà di risonanze nucleari e di alcuni studi “ab-initio” che presuppongono una interazione efficace in simmetria chirale che rispecchi le proprità few body dei nuclei leggeri, e poi possa essere estesa a nuclei più pesanti e materia infinita, ma comunque non è ancora una falsificazione definitiva.

Inoltre può succedere che particelle in fenomeni astrofisici, specialmente si pensa relativi a supernove magneto-rotanti o buchi neri accumulino energie estremamente elevate. Nei raggi cosmici si individuano eventi rari di particelle con energie superiori a 10^19 eV (notevole la “Oh-My-God particle” osservata con energia stimata a 3*10^20 eV ).

Qualsiasi sia il meccanismo che accelera tali particelle fino a queste energie, è possibile ipotizzare che questi acceleratori cosmici estremamente efficienti abbiano densità di particelle sufficiente per generare collisioni a queste energie spaventose, determinando un’altra (sicuramente minima in quantità ma notevole come caratteristiche) fonte di bariogenesi e di generazione di chissàcosa che non sappiamo.

Inoltre si ipotizzano anche meccanismi di accoppiamento con la materia oscura e relativi neutrini sterili nell’ordine del TeV. Questa potrebbe essere un’altra sorgente di bariogenesi che è un po' studiata e potrebbe essere consistente nei pressi dei buchi neri, ma al momento è poco più di una ipotesi.

Comment by minstrel on 2015-08-11 09:37:02 +0000

Davvero interessante, davvero un bel casino.
Grazie Andrea! 🙂

Comment by Vittore on 2015-08-11 16:12:50 +0000

Ciao grazie mille per la risposta molto dettagliata. Sono rimasto molto incuriosito dal cosiddetto “Barion chemical potential” che suppongo sia stimato usando, come prima approssimazione, il modello di condensato di Fermi.

Mi sembra logico che se i potenziali chimici sono piu` alti, il sistema possa essere “incentivato” ad utilizzare i gradi di liberta` “in più”.

Comment by Andrea on 2015-08-15 10:59:06 +0000

Sì il potenziale chimico nella statistica di Fermi è un metodo veramente brillante per rappresentare sistemi di Fermioni in modo intuitivo e preciso: quanto valga il potenziale chimico è soggetto a correzioni e complicazioni in quanto grandezza termodinamica, ma una volta che hai il valore del potenziale chimico di barioni, protoni, neutroni, elettroni…etc… hai un metodo rapidissimo per capire le concentrazioni ed eventuali influenze sui processi fermionici in atto.

Dato che l’energia totale di un fermione è la massa + il suo potenziale chimico, hai che quando la differenza fra potenziali chimici supera la differenza di massa avviene una trasmutazione da un fermione a un’altro.

Ad esempio quando il potenziale chimico di protoni ed elettroni, supera quello di neutroni per più della differenza di massa fra neutroni e protoni+elettrone, il protone si trasmuta in neutrone per minimizzare l’energia.
E' così che si stima la concentrazione di neutroni in una stella di neutroni.

Inoltre, anche i processi nucleari che coinvolgono trasmutazioni, diventano più o meno probabili nel mezzo stellare a seconda delle condizioni termodinamiche.

Se ti interessa, in questo proc.
http://pos.sissa.it/archive/conferences/204/002/NIC%20XIII_002.pdf
si vede come transizioni beta proibite diventano le favorite, una volta che il potenziale chimico (che è legato in modo banale nella statistica di fermi dalla densità di fermioni) raggiungono una certa soglia e quando le temperature non sono troppo elevate. 🙂

Comment by Andrea on 2015-08-15 11:00:11 +0000

Il casino è la parte interessante! 😛

Ma che dietro al casino ci sia la semplicità che ci sta su un foglio di carta è la parte affascinante! 🙂

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