giovedì 6 luglio 2017

Osservato il barione Xi al CERN: di che si tratta?

Gli scienziati del CERN hanno annunciato di aver osservato una particella che mai avevano visto prima: il barione Xi.
Il barione Xi è una particella formata da tre quark: due sono quark charm e l'altro è un quark up.
ASPETTATE, non andate via che adesso vi spiego tutto, con calma. Iniziamo.

Rappresentazione artistica del barione Xi osservato con LHC (© CERN)



1) Cos'è un barione?
Questa è facile, dai: un barione è una particella formata da tre quark.

2) E vabbè, e cosa sono i quark?
I quark sono delle particelle elementari che esistono i natura. Elementari nel senso che non sono composti da ulteriori particelle a loro volta.
Ci sono ben sei tipi di quark e hanno dei nomi particolari: up, down, charm, strange, top, bottom. La differenza principale tra i vari quark è la loro massa; i quark up e down sono i meno massivi, i quark top e bottom sono quelli più massivi. Poi ci sono le cariche elettriche: up, charm e top sono carichi positivamente e hanno carica +2/3 la carica elettrica fondamentale (la carica fondamentale non è altro che la carica elettrica dell'elettrone ma con il segno positivo); down, strange e bottom sono carichi negativamente e hanno carica -1/3 la carica dell'elettrone.
I quark si chiamano in questo modo per colpa del fisico Murray Gell-Mann. O meglio, egli riprese il nome da un passo di un libro di James Joyce "Finnegan's Wake" che Gell-Mann stava leggendo all'epoca. Ah già, perché Gell-Mann nel 1969 ha proprio vinto il premio Nobel per la fisica per la classificazione dei quark.
I quark stanno insieme e stanno vicini non per miracolo, ma perché essi interagiscono tramite la forza nucleare forte. Questa è una interazione particolare che sentono solo i quark in quanto quark e che permette loro di stare uniti nei barioni. 

3) Esempi di barioni?
Due esempi molto famosi di barioni sono, udite udite, il protone e il neutrone. Per la precisione, il protone è formato da due quark up e uno down. Se tornate un attimo al paragrafo precedente e fate due conti, potete notare che la somma totale delle cariche elettriche dei quark che formano un protone è così +1 volte la carica elettrica fondamentale (cioè il protone ha la stessa carica dell'elettrone ma con segno positivo). Infatti, il protone è stato scoperto prima dei quark ed era già stato definito con tale carica. Quindi, una volta scoperti i quark si decise di assegnare a essi una carica frazionaria per far tornare formalmente le definizioni adottate sino ad allora.
Il neutrone, invece, è formato da un quark up e due down. E infatti la carica totale fa zero.

4) Quanti barioni ci sono?
Ora, voi capite che se i barioni sono particelle formate da tre quark, allora potete letteralmente impazzire a formare particelle fatte di tre quark con tutti e sei i quark che avete a disposizione. Abbiamo visto che protoni e neutroni sono fatti di quark up e down, ma esistono particelle fatte di quark top e bottom? E fatte di quark charm e strange? L'unica cosa è che la somma totale delle cariche deve fare un numero intero, cioè i quark devono assemblarsi sempre in modo da fare particelle con carica elettrica un certo multiplo della carica elettrica fondamentale (che, ripeto, è quella dell'elettrone con il segno positivo).
Il modello standard della fisica delle particelle dunque prevede l'esistenza di barioni di questo tipo che non siano protoni e neutroni. La loro difficoltà nell'osservarli è dovuta alla loro instabilità, ovvero solo i protoni e i neutroni riescono a stare abbastanza tempo stabili senza decadere in altri tipi di particelle (anche se i neutroni, quando sono liberi, decadono; ma nei nuclei atomici stanno tranquilli).
Quindi, ecco che entrano in gioco gli acceleratori di particelle.
In particolare, per beccare un barione con due quark charm come il barione Xi, ci vogliono energie elevate, visto che i quark charm sono più massivi dei soliti noiosi quark up e down. E infatti finora non era stato ancora osservato e ci è voluto LHC, che con le sue alte energie ha permesso di generarne abbastanza durante i vari scontri nell'acceleratore di particelle. Per inciso, barioni diversi da protone e neutrone erano stati già osservati; trovate una lista qui.
Altra cosa: visto che il barione Xi è formato da due quark charm e un quark up, ora sapete anche perché la sua carica elettrica è +2 volte la carica elettrica fondamentale.

5) Si tratta di una cosa importante?
Beh, direi proprio di sì. Certo, non importante come il bosone di Higgs, ma comunque si tratta di una notizia relativamente importante per la fisica e la ricerca.
Il barione Xi era previsto dal modello standard della fisica delle particelle. E ora è stato osservato. E, normalmente, qui scatta automatico il WOW. Infatti, ancora una volta gli scienziati ci hanno visto giusto quando hanno provato a buttare già una teoria che potesse descrivere le particelle che ci sono nell'universo. E questa è una cosa spettacolare: prevedere l'esistenza di una particella e poi effettivamente osservarla, vuol dire che si è stati bravi e in gamba a leggere il mondo fisico con il linguaggio matematico, provando a citare Galileo Galilei. Questo è il modo in cui lavora la scienza.
Inoltre, come interagiscono i quark tra loro non è una cosa che conosciamo alla grandissima. Cioè, sappiamo abbastanza bene come funzionano le cose (la teoria che si occupa di ciò si chiama cromodinamica quantistica), ma ora possiamo anche avere a disposizione un ulteriore banco di prova, ovvero proprio il barione Xi. Infatti nel barione Xi ci sono i massivi quark charm e il poco massivo quark up: i fisici del CERN ora potranno anche studiare come interagiscono quark di masse diverse all'interno di una stessa particella. Per capirlo sarà importante studiare come decade il barione Xi, ovvero come esso si trasforma in altre particelle più leggere (l'abbiamo detto che i barioni, tranne il protone e il neutrone, non sono personaggi molto stabili).

E ora, tutti insieme diciamo grazie a LHC e ai fisici che ci lavorano per avere aperto un'altra piccola finestra di conoscenza su come funziona l'universo. Che poi, queste finestre da aprire sono davvero tante, probabilmente non smetteremo mai.


Fonte
CERN press release, The LHCb experiment is charmed to announce the observation of a new particle with two heavy quarks