Uno scorcio dell’esperimento LHCb al CERN. Crediti: Anna Pantelia/CERN
Quasi non passa giorno dove non venga scovato un nuovo stato della materia. L’ultimo, in ordine di tempo, potrebbe essere il tetraquark, una particella composta da quattro quark. Il vastissimo gruppo di ricerca della collaborazione Large Hadron Collider beauty (LHCb, uno degli strumenti dell’acceleratore di particelle LHC al CERN di Ginevra), ha infatti recentemente presentato i risultati che confermano l’esistenza di un’esotica particella, un adrone poco romanticamente denominato Z(4430). Osservata per la prima volta nel 2008 dalla Belle Collaboration con l’acceleratore KEKB a Tsukuba, in Giappone, la particella Z(4430) era stata messa in dubbio da successive ricerche. Ora con l’esperimento al CERN la sua esistenza è certa, con un minimo di cautela dovuta al fatto che il relativo articolo scientifico è ancora in via di pubblicazione su una rivista peer-reviewed.
La nuova particella è circa quattro volte più massiccia di un protone, ha una carica negativa e, per la felicità dei fisici, non rientra nel tradizionale modello della struttura adronica. Gli adroni sono particelle subatomiche soggette alla forza nucleare forte, quella che tiene insieme il nucleo degli atomi. Sono composti da quark e antiquark: una coppia per i velocemente decadenti mesoni, un terzetto per i barioni come protoni e neutroni. I ricercatori sospettano da tempo che i quark si possano aggregare anche in quartetti, i tetraquark appunto, ma non sono ancora riusciti a sviluppare un modello teorico completo. Ora la particella Z(4430) sembra un candidato veramente promettente come tetraquark, anche se molto lavoro rimane da fare per poterlo affermare con certezza.
Nel frattempo, si possono già cogliere le implicazioni astrofisiche di questa scoperta, in particolare sulla struttura interna delle stelle di neutroni. Come ha fatto Brian Koberlein, professore di fisica al Rochester Institute of Technology, in un articolo su Universe Today. I quark sono molto differenti dalle altre particelle – spiega Koberlein – in quanto hanno una carica elettrica che corrisponde a 1/3 o 2/3 di quella dell’elettrone o del protone. Possiedono anche un altro tipo di “carica”, chiamata colore. Mentre le cariche elettriche sono due, positive e negative, esistono tre tipi di cariche di colore (rosso, verde, blu) assieme ai loro opposti (anti-rosso, anti-verde, anti-blu). Per ragioni legate al modo di agire della forza nucleare forte, i quark non si osservano in maniera libera ma aggregati a formare particelle di “colore” neutro. Oltre alle note composizioni neutre di due o di tre quark (mesoni e barioni, rispettivamente), teoricamente si potrebbero avere anche combinazioni di quattro, i tetraquark appunto, in cui due quark avrebbero un particolare colore e gli altri due il corrispondente anti-colore. Andando oltre, sono stati proposti anche i pentaquark e gli esaquark. Ma fino a questo punto si trattava di semplici illazioni su ipotetiche particelle che, sebbene neutre dal punto di vista del colore, potrebbero essere instabili e semplicemente decadere in barioni o mesoni.
La differenza tra una stella di neutroni e una stella di quark. Crediti: NASA/Chandra
Gli ultimi risultati dell’esperimento al CERN rappresentano la più forte evidenza dell’effettiva esistenza di gruppi di 4 quark a formare una particella di colore neutro. Questo significa che i quark si possono combinare in modalità molto più complesse di quanti gli scienziati s’aspettassero. Un fatto che ha ripercussioni, dal punto di vista astrofisico, sul modo in cui si concepisce la struttura interna delle stelle di neutroni.
In maniera estremamente semplificata, si può dire che il modello tradizionale di stella di neutroni prevede che questo piccolo corpo supermassiccio sia composto esclusivamente da neutroni. I neutroni sono costituiti da tre quark (due down e uno up), ma si pensa che l’interazione tra particelle all’interno della stella di neutroni consista essenzialmente nell’interazione tra neutroni. Se invece si postula l’esistenza dei tetraquark, diviene allora possibile ipotizzare che i neutroni del nucleo interagiscano così intensamente da formare tetraquark, o anche pentaquark ed esaquark. O addirittura che i quark possano interagire individualmente, senza essere legati all’interno di particelle di colore neutro, dando origine a un ipotetico oggetto chiamato stella di quark (o anche stella strana, perché composta da materia “strana”), al confine tra stella di neutroni e buco nero.
Tutto ciò è ancora a livello di ipotesi ma – conclude Koberlein – l’evidenza sperimentale dell’esistenza del tetraquark spingerà necessariamente gli astrofisici a riconsiderare alcuni degli assunti riguardo alla composizione interna delle stelle di neutroni.