Tetraquark – Pentaquark

tetraquark

Era giugno del 2013 quando fu scoperta la prima particella nota ad essere costituita da quattro quark.
Per ora è indicata con una sigla, Zc(3900), ma c’è da scommettere che presto i fisici inizieranno a sbizzarrirsi con un nome più evocativo per questa particella. Per ora si sa che ha massa pari a quattro volte la massa del protone.

Era luglio 2015 quando il super acceleratore del CERN a Ginevra, ha riportato la scoperta di una classe di particelle esotiche note come pentaquark, particelle a cinque quark.

Per la casalinga di Verona la cosa non le cambia la vita. Forse neanche a tutti noi.
La cambia agli scienziati. E li fa impazzire.

Scopriamo il motivo piano piano in modo semplice (non me ne vogliano i precisini).
Diciamo subito che queste insolite disposizioni di accoppiamento dei quark potrebbero riflettere qualche regola più profonda sul modo in cui si legano fra loro diversi tipi, o “sapori”, di quark.

Il motivo sta nel modello standard della cosmologia che studia le particelle elementari e le forze ad esse associate.

QUARK

Tutto è iniziato quando nel 1964 (per merito del fisico statunitense Murray Gell-Mann) si scoprì che i protoni e i neutroni non sono le particelle “elementari” cioè non ulteriormente scomponibili come si credeva fino ad allora.
Nello scontro tra protoni si notò che i protoni si frantumavano liberando particelle più piccole. Queste nuove particelle furono chiamate “quark”.

Dapprima i fisici ritenevano ci fossero solo due quark, chiamati quark up e quark down (“su” e “giù”), poi, con il passare degli anni, la famiglia è cresciuta. Furono scoperti altri quark più pesanti chiamati quark charm (fascino), quark strange (strano). Ed ancora altri quark, ancora più pesanti chiamati quark bottom (basso) e quark top (alto). In tutto 6 tipi distinti di quark che furono suddivisi in tre famiglie in base alla loro massa e decadenza in ragione all’aumentare della massa. Tutte queste varietà di quark  sono chiamate “sapori”.
Ben presto si è scoperto che per ogni quark esiste un antiquark con carica elettrica opposta (la cosiddetta “stranezza”).

Diamo uno sguardo alla figura.
Le tre generazioni.
quark e famiglieI quark letti in senso verticale rappresentano le tre famiglie (generazioni), ovvero la loro appartenenza o la suddivisione dei quark in base alla massa e decadenza (sapori).
Solo i quark di prima generazione (up e down) esistono spontaneamente in natura.
La seconda famiglia (charm, strange) e terza famiglia (bottom, top) si possono originare solo in collisioni ad alta energia, e riprodotte artificialmente negli acceleratori di particelle e decadono rapidamente.
I quark letti in senso orizzontale presentano la stessa carica e spin, ma differente massa.

Il colore dei quark.
Più complicato è spiegare il “colore” dei quark e qui serve un po’ più di attenzione, (ma poi non più di tanto).
Abbiamo detto che solo i quark di prima generazione (up e down) esistono spontaneamente in natura. Tutte le ricerche di quark singoli hanno avuto esito negativo. I quark up e down si combinano tra loro in gruppi di tre per formare i protoni e neutroni.
Il protone per esempio è formato da 2 quark up ed 1 quark down, mentre il neutrone è formato da 2 quark down ed 1 quark up. Questa classe di tre quark aggregati assieme viene chiamata ‘barioni’.

EbbeQuarkne, i due quark su che si legano nel protone si comportano in maniera differente, così come i due quark giù nel neutrone. Questo dipende dal tipo di legame che li unisce o li incolla tra loro. Questa colla è fornita da una particella chiamata gluone che in inglese ‘glue’ significa colla. In pratica due o più quark vicini tra loro si scambiano gluoni e si viene a formare quello che i fisici chiamano un “campo di forza di colore”. Ci sono tre cariche di colore, rosso, verde e blu.
Questo dipende dal fatto che un quark cambia continuamente la sua carica di colore dato che scambia gluoni con altri quark, come le lampadine multicolore dell’albero di natale. Ogni quark ha una di queste tre cariche di colore. Anche ogni antiquark ha una delle tre cariche complementari. Il termine colore è puramente arbitrario e non c’entra nulla con i colori percepiti dall’occhio umano.

Più precisamente (per i precisini), il protone e il neutrone sono composti di 3 quark di due soli tipi (detti sapori), u (up) e d (down), i quali possiedono, rispettivamente, carica elettrica +2/3 e -1/3.
La carica elettrica +1 del protone si ottiene, quindi, combinando due quark u e un quark d (+2/3 +2/3 -1/3 = +1). Il neutrone, invece, è privo di carica elettrica e si ottiene combinando due quark d e uno u (-1/3 -1/3 +2/3 = 0).

I tre colori dei quark inoltre sono combinati in modo che la particella sia “bianca” ovvero una miscela di rosso, verde e blu. Detto più semplicemente: i quark hanno una carica chiamata di ‘colore’ che li lega che non è di tipo elettromagnetico. Il colore è solo tipico dei quark e che li lega chiamata interazione forte, mentre i protoni e neutroni sono neutri di colore.
Chiaro fin qui? Ci siete o siete scappati via?

colore dei quark

In definitiva possiamo dire che tutta la materia ordinaria che osserviamo intorno a noi è costituita da sole tre particelle elementari: l’Elettrone; il Quark Up; il Quark Down. Infatti i Quark della seconda e terza generazione non sono stabili dal momento che decadono istantaneamente. Finora i quark osservati si legano a coppa di tre a formare neutroni e protoni.

Ok fatta questa fondamentale promessa andiamo avanti.

TETRAQUARK

tetraquark1
Abbiamo detto che finora si è sempre ritenuto che i quark esistessero in natura in gruppi di tre (anche da due: i mesoni).
Il primo tetraquark è stato trovato nel 2003. Successivamente dai dati generati dal collisore Tevatron allo statunitense Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in Illinois sono emerse prove dell’esistenza di una particella mai osservata prima formata da quattro tipi di quark. Il valore è circa quattro volte quello della massa del protone.
La nuova particella, Zc(3900). una classe di “tetraquark”, è costituita da un quark bottom, un quark strange, un quark up e un quark down. Una struttura sconosciuta che mette in discussione alcune conoscenze sulle particelle elementari.

Protoni e neutroni contengono ciascuno tre quark, che è di gran lunga il raggruppamento più stabile. Anche le coppie di quark, chiamate mesoni (formati da coppie quark up e quark down), sono comuni, ma gli agglomerati di quark più grandi sono estremamente rari in quanto i quark strange e bottom della seconda e terza generazione decadono molto rapidamente.

L’aspetto unico di questo caso è che il tetraquark è formato da quattro quark tutti diversi. In tutte le configurazioni precedenti di solito due quark sono gli stessi.

Cosa significa?
Per ora nessuno lo sa. Questa insolita disposizione, potrebbe riflettere qualche regola più profonda sul modo in cui si legano fra loro diversi tipi, o “sapori”, di quark, un processo reso possibile dalla forza più potente esistente in natura, chiamata appunto forza forte.
I fisici hanno una teoria quantistica, detta cromodinamica, che descrive come opera la forza forte, ma è molto difficile usarla per fare previsioni.

Praticamente i fisici non hanno ancora un buon modello del modo in cui interagiscono i quark quando si uniscono in un certo numero.

Gli scienziati si aspettano che nei prossimi anni saranno scoperte più particelle tetraquark e altre nuove aggregazioni di quark, via via che aumenterà la potenza degli acceleratori.
Allora quanti quark possono stare insieme per formare una particella?

PENTAQUARK

pentaquarkLa prima risposta è arrivata dalla scoperta di un pentaquark ad opera del Large Hadron Collider (LHC), il superacceleratore del CERN a Ginevra.
Il nuovo stato sarebbe formato da due quark up, un quark down, un quark charm e un anti-quark charm.

Spiegare il meccanismo secondo il quale si è arrivati alla scoperta del pentaquark è cosa complicata che va oltre i limiti che ci siamo imposti e di poco interesse per noi comuni mortali, figuriamoci per la casalinga di Verona. Dico solo che la scoperta è stata resa possibile dall’analisi del decadimento di un barione (particella costituita da 3 quark) in altre tre particelle.

L’esistenza dei pentaquark non è condivisa da tutti gli scienziati. Sicuramente si apre un nuovo filone di ricerca.
Il passo successivo per l’analisi sarà perciò studiare come i quark sono legati all’interno dei pentaquark.

I pentaquark sono una classe di particelle che ci può aprire le porte a una comprensione molto più approfondita della materia.

Se siete arrivati fin qui nella lettura mi complimento con voi.

Informazioni su bruce

Ingegnere. Io sono responsabile di quello che dico, non di quello che capisci tu. (Massimo Troisi)
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10 risposte a Tetraquark – Pentaquark

  1. Num3ri ha detto:

    Queste cose mi mettono l’ansia de “il seguito alla prossima puntata”!!!
    Come va a finire ?😀
    Come va a finire ?😀
    Come va a finire ?😀😀
    Sto già rosicando per la curiosità di sapere quello che c’è oltre !😉

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  2. MARGHIAN ha detto:

    Data l’ora tarda (le 22,30) non lo leggo ora, ma non volendo fare le opre piccole dopo sicuramente lo leggero’.

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    • MARGHIAN ha detto:

      “opre “, “ore”.

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    • bruce ha detto:

      E’ passata l’ora tarda?

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      • MARGHIAN ha detto:

        Ah, già, l’ora tarda. Non ci crederai ma ho letto il post proprio in quell’ora, non ho resistito🙂
        Anche io ero “fermo” ai normali barioni e mesoni, ma di fatto.. “speravo” che gli altri quark, in qualche modo, “entrassero in azione” combinandone di belle. E difatti….Divagazione, tempo fa lessi di una cosiddetta “materia strana”, con nuclei atomici composti da due quark “down” ed uno “strange”,che si pensa si trovi nel nucleo super denso di una stella di neutroni. A tale proposito sono andato a guardare in Wikipedia, che alla voce “materia strana” dice “..È stato ipotizzato che quando il neutronio (?!) che forma una stella di neutroni viene sottoposto ad una pressione sufficiente dovuta alla gravità della stella, i singoli neutroni si rompono e i quark che li costituiscono formano la materia strana…”.. Sto a pensare cosa accadrà ai quark con le densità di un buco nero. Mah.
        Tornando poi agli adroni e barioni esotici scoperti, tetraquark e pentaquark, forse le sorprese non sono ancora finite, e’ questo il bello. Se non mi e’ sfuggito nel leggere, manca ancora all’appello il quark top. Che cosa combinerà? Ciao.

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  3. enricogarrou ha detto:

    Affascinante Silvano. Un mondo meraviglioso grazie per i tuoi scritti

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    • bruce ha detto:

      Affascinante per davvero. E pensare che nel momento in cui si pensava che i solo due quark up e down erano in grado di aggregarsi per formare i componenti del nucleo degli atomi ecco che i quark più pesanti scompaginano le carte in tavola degli scienziati che si trovano ora a dover dare una nuova spiegazione a come essi si aggregano e capire perchè non sono decaduti. Insomma i colpi di scena non mancano come nei migliori romanzi d’avventura.

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  4. Pingback: Gluoni | Bruce

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