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Materia oscura: un nuovo candidato, l’esaquark

La materia oscura è una componente misteriosa che costituisce l’85% della materia nell’Universo. Nonostante decenni di studi, la sua origine fisica è rimasta un enigma. Sebbene non possa essere osservata direttamente – poiché non assorbe né emette o riflette alcun tipo di radiazione elettromagnetica -, è stata rilevata attraverso i suoi effetti gravitazionali con la materia visibile, come stelle e pianeti.

Un team di ricercatori dell’Università di York ha proposto un nuovo candidato che potrebbe spiegare la sua origine e quindi aggiungere un tassello fondamentale alla nostra comprensione di come si è formato l’Universo. Il candidato in questione è una particella subatomica chiamata d-star hexaquark.

I quark, ad oggi considerati particelle elementari, cioé indivisibili, sono uno dei mattoni fondamentali delle particelle sub-atomiche, di cui è composta la materia.  Solitamente, si combinano in gruppi di tre – prendendo il nome di barioni – per formare protoni e neutroni e la maggior parte della materia visibile nell’Universo è costituita da questa combinazione. La nuova particella subatomica è composta da sei quark – e in questo caso, l’unione crea un tipo di particella chiamata hexaquark.

È importante sottolineare che sei quark in una d-star producono un bosone, il che significa che quando sono presenti molte d-star, queste possono combinarsi insieme in modi molto diversi rispetto ai protoni e ai neutroni.

Materia oscura

Il nuovo studio suggerisce che poco dopo il Big Bang molte particelle d-star hexaquark si sarebbero raggruppate mentre l’Universo si raffreddava e si espandeva per formare il quinto stato della materia: il condensato di Bose-Einstein.

«L’origine della materia oscura nell’Universo è uno dei maggiori quesiti della scienza che fino ad ora è rimasto senza risposta. I nostri primi calcoli indicano che i condensati delle d-star sono un nuovo candidato possibile per la materia oscura. Questo nuovo risultato è particolarmente eccitante poiché non richiede concetti nuovi per la fisica», ha spiegato Daniel Watts, co-autore dello studio.

«Il prossimo passo per stabilire se questo nuovo candidato per la materia oscura è attendibile sarà quello di ottenere una migliore comprensione di come interagiscono le stelle D, quando si attraggono e quando si respingono. Stiamo conducendo nuove misurazioni per creare stelle a D all’interno di un nucleo atomico e vedere se le loro proprietà sono diverse rispetto a quando sono nello spazio libero».

Esaquark

In fisica delle particelle gli esaquark (hexaquark) sono una grande famiglia di particelle ipotetiche, che sarebbero costituite da sei quark o antiquark di qualsiasi sapore. Molte combinazioni di quark costituenti potrebbero dare una carica di colore nulla; ad esempio, un esaquark potrebbe contenere o sei quark, simili a due barioni tenuti insieme (un dibarione), o tre quark e tre antiquark.

esaquark
Un esaquark di tipo-dibarione. Ci sono due quark costituenti per ciascuna delle tre cariche di colore.

Una volta formati, si prevede che i dibarioni siano piuttosto stabili per gli standard della fisica delle particelle. Nel 1977 Robert Jaffe propose un dibarione H possibilmente stabile con una composizione di quark udsuds potrebbe teoricamente risultare dalla combinazione di due iperoni uds.

Sono stati proposti una serie di esperimenti per rivelare le interazione e i decadimenti dei dibarioni. Negli anni 1990 furono osservati molti decadimenti compatibili con quelli dei dibarioni, ma non confermati.

Secondo una teoria, le particelle strane come gli iperoni e i dibarioni potrebbero formarsi all’interno di una stella di neutroni, modificando il suo rapporto massa/raggio in modi che potrebbero essere rilevabili. Di conseguenza, le misurazioni delle stelle di neutroni potrebbero fissare dei vincoli sulle possibili proprietà del dibarione. Questi dibarioni si dissolverebbero molto rapidamente nel plasma di quark e gluoni durante il collasso, o potrebbero transire in un qualche stato della materia attualmente sconosciuto.

Nel 2014 presso il Centro di ricerche Jülich fu rivelato un potenziale dibarione a circa 2380 MeV. La particella è esistita per 10−23 secondi e fu chiamata d*(2380).

Altri adroni esotici

Gli adroni esotici sono particelle subatomiche composte da quark e gluoni , ma che – diversamente dagli adroni “ben noti” come protoni , neutroni e mesoni – sono costituiti da più di tre quark di valenza . Al contrario, gli adroni “ordinari” contengono solo due o tre quark. Anche gli Adroni con esplicito contenuto di gluone di valenza sarebbero considerati esotici. In teoria, non vi è alcun limite al numero di quark in un adrone, purché la carica di colore dell’adrone sia bianca o neutra. 

Coerentemente con gli adroni ordinari, gli adroni esotici sono classificati come fermioni , come barioni ordinari o bosoni , come mesoni ordinari. Secondo questo schema di classificazione, i pentaquark , contenenti cinque quark di valenza, sono barioni esotici, mentre i tetraquark (quattro quark di valenza) e gli hexaquark (sei quark, costituiti da un dibaryon o tre coppie di quark-antiquark) sarebbero considerati mesoni esotici . Si ritiene che le particelle di tetraquark e pentaquark siano state osservate e siano allo studio; Gli esaquark non sono ancora stati confermati come osservato.

Gli adroni esotici possono essere cercati cercando i poli della matrice S con numeri quantici vietati agli adroni ordinari. Firme sperimentali per tali adroni esotici sono state viste almeno nel 2003 ma rimangono un argomento di controversia nella fisica delle particelle .

Jaffe e Low hanno suggerito che gli adroni esotici si manifestano come poli della matrice P e non della matrice S. I poli sperimentali della P-matrice sono determinati in modo attendibile in entrambi i canali mesone-mesone e canali nucleone- nucleone .

Quando il modello a quark fu postulato per la prima volta da Murray Gell-Mann e altri negli anni ’60, fu quello di organizzare gli stati che allora erano noti per esistere in modo significativo. Con lo sviluppo della cromodinamica quantistica (QCD) nel decennio successivo, divenne evidente che non vi era motivo per cui esistessero solo combinazioni di tre quark e quark-antiquark.

In effetti, l’articolo originale di Gell-Mann del 1964 allude alla possibilità di adroni esotici e classifica gli adroni in barioni e mesoni a seconda che abbiano un numero dispari (barione) o pari (mesone) di quark di valenza.

Inoltre, sembrava che i gluoni, le particelle mediatori della forte interazione, potessero anche formare stati legati da soli ( palle di colla) e con quark (adroni ibridi ). Sono trascorsi diversi decenni senza prove conclusive di un adrone esotico che potrebbe essere associato al polo della matrice S.

Nell’aprile 2014, la collaborazione con LHCb ha confermato l’esistenza della Z (4430)  , scoperta da Belle , e ha dimostrato che deve avere un contenuto minimo di quark di c c d u .

Nel mese di luglio 2015, LHCbscoperta ha annunciato la di due particelle, chiamato +C (4380) e +c(4450) , che deve avere un contenuto minimo di quark c c uud , che li rende pentaquark . Esistono diversi candidati adronici esotici:

  • X (3872) – Scoperta dal rilevatore Belle alla KEK in Giappone, questa particella è stata variamente ipotizzata essere diquark o una molecola mesonica .
  • Y (3940) – Questa particella non si adatta allo spettro del Charmonium predetto dai teorici .
  • Y (4140) – Scoperto da CDF Fermilab nel marzo 2009.
  • Y (4260) – Scoperta dal rivelatore BaBar allo SLAC di Menlo Park , California , si ipotizza che questa particella sia costituita da un gluone legato a un quark e un antiquark.
  • Zc (3900) – Scoperto da Belle e BES III
  • Z (4430) – Scoperto da Belle e successivamente confermato da LHCb con significato 13.9σ
  • X (4274) – Osservato da LHCb al CERN arXiv: 1606.03179
  • X (4500) – Osservato da LHCb al CERN arXiv: 1606.03179
  • X (4700) – Osservato da LHCb al CERN arXiv: 1606.03179

Riferimenti e approfondimenti

  1. Vijande, J .; Valcarce, A; Richard, J.-M. (25 novembre 2011). “Stabilità degli hexaquark nel limite della stringa di confinamento”. Physical Review D . 85 (1): 014019. arXiv : 1111.5921 . Bibcode : 2012PhRvD..85a4019V . doi : 10.1103 / PhysRevD.85.014019 .
  2. RL Jaffe (1977). “Forse un dihyperon stabile?”. Lettere di revisione fisica . 38 (5): 195–198. Bibcode : 1977PhRvL..38..195J . doi : 10.1103 / PhysRevLett.38.195 .
  3. J. Belz et al. (BNL-E888 Collaboration) (1996). “Cerca il debole decadimento di un dibaryon H”. Lettere di revisione fisica . 76 (18): 3277–3280. arXiv : hep-ex / 9603002 . Bibcode : 1996PhRvL..76.3277B . doi : 10.1103 / PhysRevLett.76.3277 . PMID 10060926 .  
  4. RW Stotzer et al. (Collaborazione BNL-E836) (1997). “Cerca H dibaryon in He-3 (K-, k +) Hn”. Lettere di revisione fisica . 78 (19): 3646–36490. Bibcode : 1997PhRvL..78.3646S . doi : 10.1103 / PhysRevLett.78.3646 
  5. Amici della Scienza – www.focusuniverse.com
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