Scoperta la particella Odderon

Tre anni fa, a circa 100 metri di profondità, nel tunnel circolare di 27 chilometri del Large Hadron Collider (Lhc), al di sotto del confine tra Francia e Svizzera, i fisici sperimentali della Collaborazione Totem hanno trovato prove dell’esistenza della particella subatomica chiamata odderon – uno stato elusivo di tre particelle fondamentali chiamate gluoni – teorizzata fin dagli anni ’70. Sebbene quei risultati furono sufficienti per mostrare indicazioni dell’esistenza dell’odderon, non lo erano per poter affermare di averlo osservato in via definitiva. Oggi, il Cern e Fermilab hanno annunciato che la collaborazione Totem all’Lhc, insieme alla collaborazione DØ al Tevatron del Fermilab, hanno scoperto l’odderon.

Media Inaf ha raggiunto Angelo Scribano dell’Istituto nazionale di fisica nucleare, chairman del Collaboration Board che include tutti gli istituti della Totem Collaboration, e Simone Giani del Cern, responsabile scientifico di Totem, per avere qualche dettaglio sulla tanto attesa scoperta.

Vista la complessità della materia trattata, possiamo partire da una premessa sulle forze e la loro azione a distanza, per riuscire a capire meglio cosa sia l’odderon?

[Scribano] «Certo. È noto che due cariche elettriche dello stesso segno si respingono (e due cariche elettriche di segno opposto si attraggono) e che la forza con cui lo fanno diminuisce all’aumentare della loro distanza: si dice che fra le cariche agisce la forza elettromagnetica. La Terra attrae la Luna e viceversa, perché fra i due corpi celesti agisce la forza gravitazionale, la stessa che agisce fra noi e la Terra e fra tutti i corpi massivi dell’universo. Non essendoci alcun legame fra i corpi che interagiscono, viene da chiedersi quale sia il meccanismo di questa azione a distanza. Per chiarire questo concetto basti pensare, per esempio, a due barche con due persone, l’una di fronte all’altra in piedi a prua, che si scambiano un pallone. L’effetto netto di questo scambio è l’allontanamento delle due barche, come se fra le due si esercitasse una forza repulsiva. Se poi il pallone fosse invisibile, uno spettatore vedrebbe solo le barche allontanarsi e direbbe che sono soggette a una forza repulsiva con azione a distanza».

«Nel linguaggio della fisica moderna l’azione di una forza tra due corpi è descritta da uno scambio di particelle (a volte senza massa) dette portatrici – o mediatrici – della forza stessa. Nel caso della forza elettromagnetica, questa è mediata dai fotoni, ossia dei fotoni sono scambiati fra le particelle con carica elettrica, ed è questo scambio a dare luogo alla forza. Nel caso della forza gravitazionale, diciamo che fra corpi dotati di massa vengono scambiati dei gravitoni».

E nel nucleo atomico?

[Scribano] «L’interazione che permette ai protoni, e ai neutroni, di stare insieme a formare i nuclei (più forte della repulsione elettrostatica dei protoni fra loro) è la forza forte, e la particella mediatrice è il gluone. La forza forte è la stessa che tiene insieme i quark a formare i protoni (2 quark up e 1 down) e neutroni (1 quark up e 2 down). Infine, i portatori della forza debole – responsabile dei decadimenti radioattivi e forza che guida i processi di fusione dell’idrogeno nelle stelle – sono i bosoni W e Z scoperti nel 1983 al Cern da Carlo Rubbia, con conseguente Premio Nobel. Tutte le forze che esistono in natura possono essere ricondotte ad aspetti diversi di queste quattro forze fondamentali. Le particelle che mediano le forze sono dette “particelle di forza” mentre quelle che costituiscono la struttura fondamentale della materia sono dette “particelle di materia”».

In che modo operate al Cern per indagare la natura di queste particelle?

[Scribano] «Nel Large Hadron Collider vengono fatti collidere fasci di protoni in quattro zone dell’anello di 26 chilometri (dette zone di interazione) dove sono collocati gli apparati sperimentali di rivelazione (Alice, Atlas, Cms+Totem, Lhcb). Quando i protoni, diretti l’uno contro l’altro, si trovano a distanza “ravvicinata” agisce la forza forte e quindi vengono scambiati dei gluoni. La teoria fisica che descrive l’interazione forte è la cromodinamica quantistica, dove non solo i quark (particelle di materia) ma anche i gluoni stessi (particelle di forza) possiedono la carica di colore analoga alla carica elettrica. A differenza del fotone – mediatore dell’interazione elettromagnetica che non ha carica elettrica ed è magneticamente neutro – i gluoni, essendo dotati di carica di colore, risentono dell’interazione forte. I gluoni possono quindi interagire tra loro e sono soggetti al fenomeno del confinamento, per il quale non possono esistere isolati ma solo a gruppi (glueball). Quando due quark si scambiano un gluone, la loro carica di colore cambia. Le prime evidenze sperimentali dell’esistenza dei gluoni furono trovate all’inizio degli anni ’80 nell’electron-positron-collider Petra del Desy di Amburgo».

E arriviamo al protagonista della giornata, l’odderon: che cos’è?

[Giani] «In cromodinamica quantistica (non perturbativa), l’odderon è rappresentato come un composto di tre gluoni (o un numero dispari di gluoni) che vengono scambiati fra i due protoni – o il protone e l’antiprotone – che stanno collidendo elasticamente. Infatti, dato che i gluoni hanno la peculiarità di interagire con sé stessi, si possono legare in un composto in cui il legame fra di loro predomina rispetto alla loro interazione con i protoni che collidono; quindi vengono scambiati in prima approssimazione come un tutt’uno – l’odderon, appunto – con anche le proprietà fisiche del composto. Tutto ciò se il momento trasferito non è troppo alto, altrimenti si entra nel dominio della cromodinamica quantistica perturbativa e i gluoni sono risolti individualmente, così come il loro accoppiamento con i quark dei protoni».

Qual è la sua caratteristica rilevante?

[Giani] «La proprietà fisica del composto rilevante è la carica dell’interazione forte, cioè il colore. In cromodinamica quantistica il colore può essere azzerato non solo con due unità di carica opposta (come nel caso dell’elettricità), bensì anche con una combinazione di tre unità (come appunto più colori combinati possono dare il bianco). Affinché lo scattering nucleare forte sia elastico, i due protoni devono cambiare direzione ma rimanere integri, ossia non frammentarsi. Ciò richiede che la carica di colore complessiva scambiata sia nulla, requisito soddisfatto dall’odderon».

Quindi la particella che avete scoperto è davvero l’odderon? Da quanto tempo la stavate cercando?

[Scribano] L’avvento della cromodinamica quantistica ha portato i teorici a prevedere l’esistenza dell’odderon nel 1973. L’odderon è stato pensato inizialmente come un oggetto con proprietà matematiche che potrebbero giocare un ruolo nella descrizione dello scattering nucleare elastico protone-protone e protone-antiprotone, soprattutto nella sezione d’urto (probabilità) differenziale in funzione del quadri-momento trasferito “t” (visualizzabile come l’angolo di scattering), quindi nella descrizione dell’interazione forte in generale. Dimostrarne l’esistenza è stata una grande sfida sperimentale. Basarab Nicolescu dell’Università Babes-Bolyai in Romania – colui che per primo ha citato l’odderon insieme a Leszek Lukaszuk – ed Evgenij Martynov dell’Istituto Bogolyubov di fisica teorica in Ucraina hanno affermato, in un articolo pubblicato poco dopo il risultato di Totem, che i nuovi dati possono essere considerati come la prima scoperta sperimentale dell’odderon».

L’avete trovato con Totem: come funziona, cosa avete misurato?

[Giani] «I meccanismi e le caratteristiche discusse finora valgono anche per composti di due gluoni (o un numero pari di gluoni), che in realtà predominano a livello probabilistico (sezione d’urto) data la loro minore complessità in termini di combinazioni di colore. I numeri pari di gluoni hanno un effetto sempre identico e simmetrico per la sezione d’urto differenziale (probabilità che un certo evento avvenga in funzione di “t” , ossia in funzione dell’angolo di deviazione) dello scattering protone-protone rispetto allo scattering protone-antiprotone. Al contrario, il contributo alla sezione d’urto da parte di numeri dispari di gluoni ha un segno diverso per protone-protone rispetto a protone-antiprotone. Quindi, differenze tra le sezioni d’urto elastiche nucleari di protone-protone rispetto a protone-antiprotone provano che anche numeri dispari di gluoni vengono scambiati. Il fatto che a energie di multi-TeV come al Tevatron e a Lhc, lo scattering elastico dell’interazione nucleare forte è mediato esclusivamente da gluoni assicura quanto sopra».

«Le misure delle differenze tra la sezione d’urto protone-protone e protone-antiprotone sono state fatte a low “t” e a medium “t” nel range del diffractive dip e second maximum. Le misure a low “t” sono state eseguite su dati protone-protone di Totem a 13 TeV. Le misure a medium “t” sono state eseguite sui dati protone-protone di Totem a Lhc a 2.76 TeV, 7 TeV, 8 TeV, 13 TeV ed estrapolate a 1.96 TeV per verificare la in/compatibilità con i dati protone-antiprotone di DØ a Tevatron a 1.96 TeV».

Già nel 2018 aveva fatto la sua comparsa al Cern, sempre grazie a Totem, giusto?

[Giani] «Le misure a low “t” menzionate sopra sono state eseguite sui dati di Lhc a 13 TeV e pubblicate da Totem nel 2018. Il valore misurato per il parametro rho (real to imaginary ratio of the scattering amplitude a t~=0) si discosta significativamente dal valore aspettato nel caso in cui l’odderon non contribuisse allo scattering, cioè nel caso in cui solo combinazioni pari di gluoni fossero scambiate. È una misura di variazione “relativa” rispetto ai valori trovati con gli acceleratori a minore energia nei 50 anni passati, quindi oltre alla alta precisione intrinseca nella misura a Lhc, ha il vantaggio di fattorizzare le principali incertezze sistematiche. La significatività del risultato è stata più che sufficiente per affermare l’evidenza dell’odderon».

Questa nuova misurazione conferma definitivamente l’esistenza dell’odderon?

[Giani] «La presente misura è stata eseguita confrontando la sezione d’urto differenziale protone-protone vs protone-antiprotone, nell’intervallo medium “t”, all’energia di 1.96 TeV. Il risultato è ottenuto analizzando contemporaneamente i dati di Lhc e del Tevatron e verificando la loro in/compatibilità a 1.96 TeV. Come accennato prima, i dati protone-protone sono stati misurati da Totem alle energie di 2.76 TeV , 7 TeV , 8 TeV, 13 TeV e estrapolati in modo model-independent a 1.96 TeV. I dati protone-antiprotone sono stati misurati da DØ all’energia 1.96 TeV. La presente analisi qui menzionata ha dato come risultato una incompatibilità tra le sezioni d’urto differenziali protone-protone e protone-antiprotone con una significatività più che sufficiente ad affermare l’evidenza dell’odderon. Dato che la presente misura D0-Totem e la misura di Totem nel 2018 sono basate su dati completamente indipendenti, la significatività di entrambe le misure viene calcolata combinandole, ottenendo una significatività complessiva superiore a 5 sigma, che permette di affermare l’osservazione sperimentale dell’odderon».

Che ripercussioni avrà questa scoperta nella fisica della particelle?

[Giani] «La scoperta dell’odderon permette di esplorare le caratteristiche più profonde della cromodinamica quantistica, notoriamente la capacità dei gluoni di interagire con sé stessi e la capacità di un numero dispari di gluoni di essere neutri come carica di colore, cioè di schermare l’interazione forte. Gli effetti dell’odderon per la fisica delle particelle in futuro dipendono dall’evoluzione della sua ampiezza di probabilità in funzione dell’energia. Per esempio, se il contributo dell’odderon rispetto alle combinazioni pari di gluoni non dovesse diventare trascurabile per energie molto più elevate, l’odderon avrebbe un effetto sulla sezione d’urto totale ed elastica per la prossima generazione di acceleratori (~100 TeV). Per il momento, però, tali estrapolazioni dipendono dai modelli teorici, così come l’effetto dell’odderon sui teoremi cosiddetti asintotici. L’analisi in corso dei dati di Totem a 900 GeV, acquisiti prima del Long Shutdown 2 di Lhc, nonostante la bassa energia possono essere discriminanti fra vari modelli teorici per l’evoluzione a energie maggiori di Lhc».

Per saperne di più:

• Leggi la press-release del Cern “TOTEM and DØ collaborations announce odderon discovery“
• Leggi su arXiv il pre-print dell’articolo “Comparison of pp and pp¯ differential elastic cross sections and observation of the exchange of a colorless C-odd gluonic compound” di V.M. Abazov, B. Abbott, B.S. Acharya, M. Adams, T. Adams, J.P. Agnew, G.D. Alexeev, G. Alkhazov, A. Alton, G. Antchev, A. Askew, P. Aspell, I. Atanassov, S. Atkins, K. Augsten, V. Aushev, Y. Aushev, V. Avati, C. Avila, F. Badaud, J. Baechler, L. Bagby, C. Baldenegro Barrera, B. Baldin, D.V. Bandurin, S. Banerjee, E. Barberis, P. Baringer, J.F. Bartlett, U. Bassler, V. Bazterra, A. Bean, M. Begalli, L. Bellantoni, V. Berardi, S.B. Beri, G. Bernardi, R. Bernhard, M. Berretti, I. Bertram, M. Besanccon, R. Beuselinck, P.C. Bhat, S. Bhatia, V. Bhatnagar, G. Blazey, S. Blessing, K. Bloom, A. Boehnlein, D. Boline, E.E. Boos, V. Borchsh, G. Borissov, M. Borysova, E. Bossini, U. Bottigli, M. Bozzo, A. Brandt, O. Brandt, M. Brochmann, R. Brock, A. Bross, D. Brown, X.B. Bu, M. Buehler, V. Buescher, V. Bunichev, S. Burdin, H. Burkhardt, C.P. Buszello, F. S. Cafagna, E. Camacho-P’erez, B.C.K. Casey, H. Castilla-Valdez, M. G. Catanesi, S. Caughron, S. Chakrabarti, K.M. Chan, A. Chandra, E. Chapon, G. Chen, S.W. Cho, S. Choi, B. Choudhary, S. Cihangir, D. Claes, J. Clutter, M. Cooke, W.E. Cooper, M. Corcoran, F. Couderc, M.-C. Cousinou, M. Csan’ad, T. Cs”orgHo, J. Cuth, D. Cutts, A. Das, G. Davies, M. Deile, S.J. de Jong , E. De La Cruz-Burelo, F. De Leonardis, F. D’eliot, R. Demina, D. Denisov, S.P. Denisov, S. Desai, C. Deterre, K. DeVaughan, H.T. Diehl, M. Diesburg, P.F. Ding, A. Dominguez, M. Doubek, A. Drutskoy, D. Druzhkin, A. Dubey, L.V. Dudko, A. Duperrin, S. Dutt, M. Eads, D. Edmunds, K. Eggert, J. Ellison, V.D. Elvira, Y. Enari, V. Eremin, H. Evans, A. Evdokimov, V.N. Evdokimov, A. Faur’e, L. Feng, T. Ferbel, F. Ferro, F. Fiedler, A. Fiergolski, F. Filthaut, W. Fisher, H.E. Fisk, L. Forthomme, M. Fortner, H. Fox, J. Franc, S. Fuess, P.H. Garbincius, F. Garcia, A. Garcia-Bellido, J.A. Garc’ia-Gonz’alez, V. Gavrilov, W. Geng, V. Georgiev, C.E. Gerber, Y. Gershtein, S. Giani, G. Ginther, O. Gogota, G. Golovanov, P.D. Grannis, S. Greder, H. Greenlee, G. Grenier, Ph. Gris, J.-F. Grivaz, A. Grohsjean, S. Gr”unendahl, M.W. Gr”unewald, L. Grzanka, T. Guillemin, G. Gutierrez, P. Gutierrez, J. Haley, J. Hammerbauer, L. Han, K. Harder, A. Harel, J.M. Hauptman, J. Hays, T. Head, T. Hebbeker, D. Hedin, H. Hegab, A.P. Heinson, U. Heintz, C. Hensel, I. Heredia-De La Cruz, K. Herner, G. Hesketh, M.D. Hildreth, R. Hirosky, T. Hoang, J.D. Hobbs, B. Hoeneisen, J. Hogan, M. Hohlfeld, J.L. Holzbauer, I. Howley, Z. Hubacek, V. Hynek, I. Iashvili, Y. Ilchenko, R. Illingworth, T. Isidori, A.S. Ito, V. Ivanchenko, S. Jabeen, M. Jaffr’e, M. Janda, A. Jayasinghe, M.S. Jeong, R. Jesik, P. Jiang, K. Johns, E. Johnson, M. Johnson, A. Jonckheere, P. Jonsson, J. Joshi, A.W. Jung, A. Juste, E. Kajfasz, A. Karev, D. Karmanov, J. Kavspar, I. Katsanos, M. Kaur, B. Kaynak, R. Kehoe, S. Kermiche, N. Khalatyan, A. Khanov, A. Kharchilava, Y.N. Kharzheev, I. Kiselevich, J.M. Kohli, J. Kopal, A.V. Kozelov, J. Kraus, A. Kumar, V. Kundr’at, A. Kupco, T. Kurvca, V.A. Kuzmin, S. Lami, S. Lammers, G. Latino, P. Lebrun, H.S. Lee, S.W. Lee, W.M. Lee, X. Le, J. Lellouch, D. Li, H. Li, L. Li, Q.Z. Li, J.K. Lim, D. Lincoln, C. Lindsey, R. Linhart, J. Linnemann, V.V. Lipaev, R. Lipton, H. Liu, Y. Liu, A. Lobodenko, M. Lokajicek, M. V. Lokaj’ivcek, R. Lopes de Sa, L. Losurdo, F. Lucas Rodr’iguez, R. Luna-Garcia, A.L. Lyon, A.K.A. Maciel, M. Macr’i, R. Madar, R. Maga na-Villalba, M. Malawski, S. Malik, V.L. Malyshev, J. Mansour, J. Mart’inez-Ortega, R. McCarthy, C.L. McGivern, M.M. Meijer, A. Melnitchouk, D. Menezes, P.G. Mercadante, M. Merkin, A. Meyer, J. Meyer, F. Miconi, N. Minafra, S. Minutoli, N.K. Mondal, M. Mulhearn, T. Naaranoja, E. Nagy, M. Narain, R. Nayyar, H.A. Neal, J.P. Negret, F. Nemes, P. Neustroev, H.T. Nguyen, H. Niewiadomski, T. Nov’ak, T. Nunnemann, E. Oliveri, F. 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