Rappresentazione artistica della particella a sei quark (dibarione) appena prevista, costituita da due barioni. Crediti: Keiko Murano
I quark sono i mattoni fondamentali della materia: i nuclei degli atomi sono costituiti da protoni e neutroni, formati a loro volta da tre quark ciascuno. Le particelle composte da tre quark sono note come barioni. Gli scienziati hanno riflettuto a lungo sull’esistenza di sistemi contenenti due barioni, noti come dibarioni. In natura esiste un solo dibarione: il deuterone, un nucleo di idrogeno composto da un protone e un neutrone, legati debolmente l’uno all’altro. Altri dibarioni sono stati intravisti in esperimenti di fisica nucleare, ma hanno avuto esistenze molto fugaci. «Sebbene il deuterone sia l’unico dibarione stabile conosciuto, potrebbero esisterne molti altri», afferma Takuya Sugiura del Riken Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences Program. «È importante studiare quali coppie di barioni formano dibarioni e quali no, perché fornisce preziose informazioni su come i quark compongono la materia».
La teoria che descrive come i quark interagiscono tra loro è la cromodinamica quantistica ma il forte accoppiamento che si verifica tra i quark nei barioni complica non poco i calcoli, che diventano ancora più complessi quando si considerano gli stati legati di barioni, come i dibarioni. Ora, calcolando la forza che agisce tra due barioni contenenti ciascuno tre quark charm (uno dei sei tipi di quark), Sugiura e i suoi collaboratori hanno previsto l’esistenza di un dibarione che hanno chiamato charm di-Omega.
Per arrivare a questa previsione, il team ha risolto calcoli numerici con molte variabili, utilizzando due potenti supercomputer: il computer K e il supercomputer Hokusai. Nonostante la complessità dei calcoli, il charm di-Omega è il sistema più semplice per studiare le interazioni tra barioni. Sugiura e il suo team stanno ora studiando altri adroni charm usando il supercomputer Fugaku, che è il più potente successore del computer K. «Siamo particolarmente interessati alle interazioni tra altre particelle contenenti quark charm», conclude Sugiura. «Speriamo di far luce sul mistero di come i quark si combinano per formare particelle e che tipo di particelle possono esistere».
Per comprendere meglio il risultato del gruppo giapponese, Media Inaf ha raggiunto Stefano Marcellini, ricercatore all’Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn), esperto di fisica delle particelle e divulgatore scientifico, per fargli qualche domanda.
Marcellini, perché è così difficile fare questi calcoli di cromodinamica quantistica?
«La cromodinamica quantistica è la teoria delle interazioni forti, ovvero quei fenomeni che descrivono il comportamento dei quark – i costituenti più piccoli a noi noti della materia nucleare – e del loro collante, i gluoni. Tanto per fare un esempio concreto, il protone, ovvero il nucleo di un atomo di idrogeno, è costituito da tre quark, legati assieme dalle interazioni nucleari descritte dalla cromodinamica quantistica. L’interazione fra i quark avviene quindi su distanze piccolissime, tipiche delle dimensioni di un nucleo atomico o inferiori, pari a meno di un milionesimo di miliardesimo di metro. L’interazione fra i quark ha tuttavia una caratteristica peculiare: tanto più essi sono vicini, tanto più debole è la loro interazione, che invece diventa fortissima quando cerchiamo di separarli. Questa proprietà, ben verificata dagli esperimenti di fisica con gli acceleratori di particelle, ha un effetto fastidioso sulla possibilità di fare calcoli sul comportamento di queste particelle: i calcoli matematici analitici diventano infatti impossibili quando i quark sono distanti fra loro, dove per distanti si intende anche la distanza che li separa all’interno di un protone».
Quindi il problema è la distanza tra loro?
«Mentre negli urti ad altissima energia fra protoni ottenibili con i moderni acceleratori, i quark contenuti nei protoni si avvicinano moltissimo negli urti, tanto da rendere la loro interazione sufficientemente debole da essere calcolata tramite opportune approssimazioni, quando invece i quark si trovano separati fra loro anche solo di una distanza pari a un milionesimo di miliardesimo di metro, l’intensità della loro reciproca interazione diventa così grande da non permetterci di fare approssimazioni nei calcoli. E questa è proprio la condizione che sperimentano i quark quando se ne stanno dentro un protone, dove essi sono sufficientemente distanti (ebbene sì, la distanza di un milionesimo di miliardesimo di metro è grande per i quark) da rendere la loro interazione così intensa da non poterci permettere di approssimare i calcoli, perché ogni singolo addendo diventa importante. Il risultato di questo comportamento è quindi che mentre da un lato sappiamo calcolare cosa succederà in urti ad altissima energia fra i protoni all’acceleratore Lhc del Cern, non sappiamo calcolare cosa combinano i quark quando se ne stanno belli tranquilli a formare protoni e neutroni dentro un nucleo atomico. E a maggior ragione questo rende impossibile applicare approssimazioni nei calcoli di ciò che succede fra i quark di protoni e neutroni diversi, ad esempio in un nucleo atomico».
E senza poter fare approssimazioni serve una potenza di calcolo elevata…
«Per ovviare a questa nostra incapacità, sono stati sviluppati metodi di calcolo dedicati, che necessitano di supercomputer (un campo in cui peraltro Giorgio Parisi, recente premio Nobel per la fisica, ha dato contributi molto importanti). In questo modo riusciamo a simulare l’interazione forte fra quark dentro il protone o fra altri barioni (un barione, come il protone o il neutrone, è una particella composta da tre quark). La quasi totalità delle coppie di barioni che possiamo immaginare presenta un legame instabile: se proviamo ad appiccicare assieme i due barioni, questi prima o poi si separano irrimediabilmente. Il deuterio, un isotopo dell’idrogeno che è una coppia protone-neutrone, è l’unica coppia di nucleoni stabile in natura».
Secondo questo studio però parrebbe esistere anche una particella composta da ben sei quark. Come la mettiamo?
«I calcoli ottenuti con queste tecniche ci indicano che debbono esistere altre coppie stabili che potremmo definire “improbabili”: coppie di barioni formati da quark più pesanti di quelli che compongono la materia ordinaria, e che esistono in modo effimero solo negli urti agli acceleratori o in fenomeni ultraenergetici nei raggi cosmici. Ad esempio, barioni contenente il quark “s” (strange), che non fa parte dei componenti della materia ordinaria, e appartiene al catalogo di componenti fondamentali della materia che la Natura ha usato in quantità solo nei primi istanti di vita dell’universo, e che adesso, a parte qualche sporadica interazione di raggi cosmici, è costretta ad usare di nuovo in quantità da quando sono comparsi i fisici delle particelle. Ma non solo, alcuni studi recenti (tra cui quello oggetto dell’articolo) hanno mostrato che potrebbero esistere coppie di barioni stabili formate da quark ancora più pesanti, come il quark charm. La cosa è sorprendente perché il quark di tipo charm è altamente instabile e effimero, non fa parte della materia ordinaria e, quando viene prodotto negli esperimenti agli acceleratori, vive per tempi brevissimi, dell’ordine di un millesimo di miliardesimo di secondo. Tutte le particelle prodotte in urti agli acceleratori che lo contengono, “decadono” immediatamente, trasformandosi in altre particelle più leggere. Tuttavia, secondo le simulazioni, le condizioni energetiche di una coppia di particelle formate ognuna da tre quark di tipo charm, sarebbero tali da rendere questo oggetto stabile. All’interno di questo strano oggetto i sei quark charm sarebbero come sei individui che si detestano, e che provano una immensa repulsione reciproca nel condividere lo stesso luogo, ma che sono tuttavia confinati entro una gabbia piccolissima con pareti troppo alte per permettere loro di scappare. Una vera cattiveria della natura, in pratica».
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Review Letters l’articolo “Dibaryon with highest charm number near unitarity from lattice QCD” di Lyu, Y., Tong, H., Sugiura, T., Aoki, S., Doi, T., Hatsuda, T., Meng, J. & Miyamoto, T.