Fascino svelato
Il quark charm, dalla predizione
teorica alla conferma sperimentale

di Roberto Mussa


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Samuel Ting e i colleghi dell’esperimento con cui scoprì la particella J/ψ a Brookhaven.

Nel 1964, James Bjorken e Sheldon Glashow, per simmetria con il mondo dei leptoni, che qualche anno prima era stato organizzato in due doppietti (elettrone e neutrino elettronico, muone e neutrino muonico), ipotizzano l’esistenza di un quarto quark, oltre ai tre introdotti da Gell- Mann, che chiamano charm (dall’inglese, fascino). L’idea, inizialmente basata solo sul parallelismo leptoni-quark, acquista fondamento fisico nel 1970, grazie allo stesso Glashow, John Iliopoulos e Luciano Maiani, i quali mostrano che il charm spiega in maniera semplice e naturale alcuni fenomeni, altrimenti indecifrabili, riguardanti i mesoni K neutri (particelle composte da un quark down e un antiquark strange, vd. in Asimmetrie n. 11 Lo strano caso dei mesoni K).

La conferma dell’esistenza del charm arriva nel 1974, con la cosiddetta “rivoluzione di novembre”: tre esperimenti, a Brookhaven, Stanford e, immediatamente dopo, a Frascati, osservano un nuovo mesone, con una massa di 3097 MeV (circa tre volte quella del protone). Alla particella viene dato un doppio nome, J/ψ, per riconoscere il merito dei due scopritori, Samuel Ting e Burton Richter, ai quali sarà conferito il premio Nobel nel 1976. Dieci giorni dopo l’annuncio della scoperta della J/ψ, l’esperimento di Stanford scopre un secondo mesone, chiamato ψ‘, con una massa di 3686 MeV e caratteristiche simili alla J/ψ. Le due nuove particelle sono stati legati del quark charm, molto più pesante degli altri tre, e del suo antiquark: un sistema chiamato genericamente charmonio, in analogia con il positronio (lo stato legato di un elettrone e un positrone).

Come ogni sistema quantistico, il charmonio è caratterizzato da uno spettro di livelli energetici equivalenti alle masse dei diversi stati: la J/ψ e la ψ‘ sono due di questi stati. Ma, mentre nel caso del positronio, che è legato dalla forza elettromagnetica, la differenza di energia tra gli stati è dell’ordine di alcuni eV, nel caso del charmonio, che è legato dalla forza forte, molto più intensa, la differenza di massa tra gli stati è dell’ordine delle centinaia di MeV, cioè cento milioni di volte superiore. Il modello a quark prevede che esistano anche dei mesoni contenenti il charm e un antiquark leggero, antiquark up o antiquark down. Questi mesoni, chiamati D, sono l’analogo “forte” dell’atomo di idrogeno (che è tenuto assieme dalla forza elettromagnetica): una particella leggera, come l’antiquark (l’elettrone nell’atomo di idrogeno), che orbita intorno a una particella pesante, il quark charm (il protone nell’idrogeno).

La scoperta del charm, nell’autunno del 1974, venne complicata da una incredibile coincidenza: come si capì qualche mese dopo, nella stessa regione di energie esplorata a Stanford venivano prodotte coppie di un nuovo leptone pesante, il τ, la cui presenza (di cui all’inizio nessuno sospettava) alterava l’interpretazione dei dati sperimentali riguardanti il charmonio. È in questa situazione confusa che Haim Harari suggerisce di introdurre due nuovi quark, che chiama top e bottom, o in alternativa truth e beauty. Sebbene il suo modello si rivelerà sbagliato (perché i risultati di Stanford si spiegano in termini del solo charm), l’idea di una nuova coppia di quark, già proposta per altri motivi da Kobayashi e Maskawa (vd. Specchi imperfetti, ndr), era corretta e i nomi proposti da Harari rimarranno.

Ci vorranno ancora venti anni per completare sperimentalmente il quadro, con la scoperta del top (il sesto quark), ma l’esistenza del quinto quark non tarderà a essere confermata. Nel 1977, il gruppo di Leon Lederman al Fermilab scopre un nuovo mesone, che viene battezzato particella Υ, con una massa di 9,46 GeV, più di tre volte quella della J/ψ. La Υ è un esempio di bottomonio, stato legato del quark bottom e dell’antiquark corrispondente. Successivamente, nel 1983, viene scoperto l’analogo del mesone D, il mesone B0, composto da un quark bottom e un antiquark down. Il sistema dei mesoni B è particolarmente importante, perché permette di studiare un fenomeno di grande rilevanza per la comprensione dell’universo, la violazione della simmetria CP (vd. Specchi imperfetti, ndr), e le moderne B-factories, come Babar (negli Usa) e Belle (in Giappone), sono state progettate proprio per produrre in abbondanza questi mesoni.

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Lo spettro degli stati del charmonio. Le particelle indicate sono stati legati di un quark charm e un antiquark charm in diverse configurazioni quantistiche.
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Composizione a quark degli adroni ordinari, barione e mesone, e composizione ipotetica dei nuovi mesoni (tetraquark) scoperti da Belle e Babar.
Un dettaglio mancante nel quadro generale sono gli stati legati in cui la rotazione intrinseca (lo spin) del quark ha verso opposto a quella dell’antiquark. Questi stati ricoprono un ruolo rilevante per comprendere le interazioni forti. Nel sistema del charmonio, alla soglia del nuovo millennio, era nota solo la ηc, scoperta nel 1981, che è lo stato fondamentale del sistema, cioè il mesone di massa più piccola composto da un charm e un anticharm. Degli altri due stati previsti dalla teoria, ηc’ e hc, nessuno era stato visto da più di un esperimento. Per quanto riguarda il bottomonio, la situazione sperimentale era ancora peggiore, dato che nel 2006 non si aveva evidenza degli stati ηb e hb. La scoperta della ηc’ (estate 2002) può essere considerata come il punto d’inizio della quarkonium renaissance: nel giro di due anni, gli esperimenti Belle, Cleo e Babar hanno trovato e confermato gli stati mancanti del charmonio. A partire dal 2006, è inoltre ripartita la caccia agli stati ηb e hb del bottomonio, ricerca che ha condotto alla scoperta di questi stati (da Babar nel 2008 e da Belle nel 2010) attraverso meccanismi totalmente inattesi in precedenza. Oltre agli stati previsti dalla teoria, ne sono stati scoperti di nuovi, e stiamo in un certo senso rivivendo l’atmosfera della “rivoluzione di novembre”, quando ipotesi teoriche e scoperte sperimentali si alternavano a passo vertiginoso. La prima di queste nuove particelle, soprannominata X(3872), scoperta nel 2003 da Belle, suggerisce che esistano degli oggetti esotici, composti da 2 quark e 2 antiquark, la cui interpretazione è ancora incerta. Una possibilità è che si tratti di tetraquark (un concetto introdotto da Luciano Maiani), cioè stati legati di un diquark (una coppia correlata di quark) e di un antidiquark (una coppia correlata di antiquark). In alternativa, sono stati ideati modelli di tipo molecolare, in cui due coppie quark-antiquark si combinano a formare stati legati con una debole interazione residua: una molecola adronica di questo tipo è costituita da due mesoni pesanti che interagiscono tramite lo scambio di pioni. La possibilità di avere quark e antiquark di tipo up e down in aggiunta alla coppia charm- anticharm o bottom-antibottom, ha aperto nuove strade alla spettroscopia dei quark pesanti. La recente scoperta di nuovi stati denominati Zc (di massa attorno ai 4 GeV) e Zb (di massa attorno ai 10 GeV), oltre a chiarire ulteriormente lo spettro del charmonio e del bottomonio, apre prospettive nuove per gli esperimenti attuali e futuri in questo settore della fisica, come la Tau-charm factory Bes-III in Cina e la SuperB-factory Belle-II in Giappone.

Biografia
Roberto Mussa, laureato a Torino nel 1987, ha studiato la fisica del charmonio negli esperimenti E760 e E835 al Fermilab e del bottomonio nell'esperimento Belle al Kek, in Giappone. Attualmente è impegnato nella realizzazione di Belle-II. Nel 2002 ha co-fondato il gruppo di ricerca teorico-sperimentale Qwg (www.qwg.to.infn.it), finalizzato all'approfondimento degli aspetti della fisica del quarkonio.

 


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