Prove della "coalescenza dei quark" trovate nelle collisioni dell'LHC – Physics World

I fisici che lavorano all’esperimento LHCb hanno visto prove che la “coalescenza dei quark” gioca un ruolo nell’evoluzione dei quark in adroni in seguito alle collisioni di protoni al Large Hadron Collider (LHC). Questo meccanismo, originariamente proposto negli anni '1980, prevede la combinazione di quark esistenti con funzioni d'onda sovrapposte invece di creare nuovi quark. È più pronunciato a momenti trasversali bassi e si spegne gradualmente quando i quark fuggono rapidamente dal punto di collisione.

I quark sono le particelle che compongono i protoni e i neutroni all'interno dei nuclei atomici e numerosi altri adroni (particelle pesanti) che risentono dell'interazione forte. Una delle loro caratteristiche più strane è che non possono mai essere osservati isolatamente. La ragione principale è che, a differenza della gravità, dell’elettromagnetismo e dell’interazione debole, la cui forza diminuisce con la distanza, l’effetto dell’interazione forte aumenta man mano che i quark legati si allontanano ulteriormente. Se i quark sono sufficientemente distanti tra loro, il campo di gluoni che media l’interazione forte contiene energia sufficiente per creare coppie particella-antiparticella. Questi si legano ai quark originali, creando nuove particelle legate che possono essere mesoni (combinazioni di un quark e un antiquark) o barioni (comprendenti tre quark). Questo processo è chiamato frammentazione.

Tuttavia, gli esperimenti che coinvolgono collisioni di ioni pesanti hanno suggerito che questa non è tutta la storia. I fisici ritengono che i quark possano anche combinarsi nel denso plasma di quark e gluoni formato dalla collisione di queste grandi particelle in un processo chiamato coalescenza.

"Si verifica una collisione, si creano un mucchio di coppie quark-antiquark che iniziano ad allontanarsi l'una dall'altra e, a causa della dualità onda-particella, ciascuna particella ha una lunghezza d'onda che in un certo senso ti dice quanto è grande", spiega Matt Durham di Laboratorio nazionale di Los Alamos negli Stati Uniti, che è membro della collaborazione LHCb.

I quark esistenti si combinano

“Se hai tre quark che si sovrappongono tra loro, li congeli insieme in un barione; se hai due quark che si sovrappongono, li congeli insieme in un mesone; se hai un quark che non si sovrappone a nessun altro deve frammentarsi”, spiega Durham. “Quindi la coalescenza prende i quark prodotti nella collisione e li unisce; la frammentazione richiede di creare nuovi quark dal vuoto.

La coalescenza nelle collisioni di ioni pesanti è stata “generalmente accettata”, afferma Durham, perché altrimenti sarebbe difficile spiegare il rapporto tra protoni e pioni prodotti negli esperimenti. Le collisioni tra ioni pesanti, tuttavia, sono complicate e le previsioni teoriche sono inevitabilmente imprecise. Nella nuova ricerca, il team di LHCb ha studiato la produzione di quark b nelle collisioni protone-protone. A volte chiamato quark bottom o quark beauty, il quark b è il secondo quark più massiccio nel Modello Standard della fisica delle particelle.

È quasi certo che la produzione di quark b produrrà un barione b-lambda o un barione B⁰ mesone, che contengono entrambi il quark ab. Il rapporto di produzione tra questi due è stato ampiamente studiato in esperimenti in cui il quark b è prodotto da collisioni elettrone-positrone – un processo che può portare solo alla frammentazione. "Se si verifica solo la frammentazione, questo rapporto dovrebbe essere universale", afferma Durham.

Il team dell'LHCb ha analizzato i dati di diversi anni sulle collisioni protone-protone e ha studiato i prodotti di decadimento delle collisioni che avevano prodotto quark b. Per le collisioni con momenti trasversali elevati rispetto ai raggi in collisione e poche altre particelle in uscita rilevate contemporaneamente, il rapporto barione-mesone era approssimativamente uguale al rapporto negli esperimenti elettrone-positrone.

Altri barioni

Tuttavia, man mano che il momento trasverso diminuiva e il numero di altre particelle rilevate cresceva simultaneamente, la proporzione dei barioni aumentava gradualmente rispetto alla proporzione dei mesoni. Ciò, hanno concluso i ricercatori, era una prova evidente che in queste collisioni era all’opera un altro processo con maggiori probabilità di produrre barioni. In questo scenario il quark b è circondato da altri quark, ma diventa sempre più sfavorito poiché il quark prodotto è più separato dalle altre particelle. "È davvero necessaria la coalescenza per spiegarlo", afferma Durham, che aggiunge: "Penso che qui lo abbiamo dimostrato in modo abbastanza definitivo".

"Trovo decisamente convincenti i dati", afferma il teorico Ralf Rapp della Texas A&M University; “C’era una disconnessione tra i sistemi molto piccoli – l’estremo è elettrone-positrone, dove c’è solo una coppia quark-antiquark – e i sistemi di ioni pesanti dove ci sono migliaia di quark. Il modo in cui in realtà esprimono il loro punto è mostrare sistematicamente come l’effetto scompare e ripristina il limite elettrone-positrone in funzione di quanti adroni si osservano, che è un’osservabilità che misura quanti quark e antiquark ci sono con cui coalizzarsi.

Sperimentale Anselmo Vossen della Duke University in North Carolina concorda sul fatto che il lavoro è "molto bello", ma nota che le ipotesi di base utilizzate per calcolare le frazioni di frammentazione implicano che i quark siano isolati, quindi forse non sorprende che diano risultati errati a bassi momenti trasversali quando questo non è il caso. "Tutti questi sono modelli", dice. "È molto suggestivo che se usi qualcosa nel modello della coalescenza funzioni, ma ciò non significa che sia 'la verità'"

La ricerca è descritta in Physical Review Letters.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/evidence-for-quark-coalescence-found-in-lhc-collisions/