Schema della reazione utilizzata per sintetizzare, all’interno di un deuterone, Λ(1405) fondendo un mesone K– (cerchio verde) con un protone (cerchio blu scuro). Crediti: Hiroyuki Noumi
Cose strane accadono sulle stelle di neutroni. E particelle a dir poco non convenzionali vi albergano. Particelle come quella sintetizzata all’acceleratore giapponese J-Parc da un team internazionale del quale fanno parte anche alcuni ricercatori dell’Infn, l’Istituto nazionale di fisica nucleare, e descritta in un articolo pubblicato il mese scorso su Physics Letters B. Il suo nome è Λ(1405) – si legge “risonanza lambda 1405”, dove il termine ‘risonanza’ identifica un picco di energia, dunque una massa, in questo caso attorno, appunto, ai 1405 MeV – e tecnicamente è un iperone: un barione, ci informa Wikipedia, che contiene al suo interno il quark strange ma non il charm, il top e il bottom.
Oltre al quark strange, la lista degli ingredienti dell’effimera particella Lambda(1405) contempla, nell’ordine: un antiquark up, due quark up e un quark down. Il che già lascia intuire, a chiunque mastichi un po’ di fisica delle particelle, che ci troviamo innanzi a un barione assai peculiare: i normali barioni – come il protone e il neutrone – sono infatti tutti formati da tre quark, qui invece di quark ne abbiamo ben cinque, contando anche l’antiquark. Insomma, una particella dalla vita brevissima e dalla struttura ancora non ben compresa.
Per capire il perché, è opportuno partire da come è stata prodotta dai ricercatori della collaborazione E31 – questo il nome del team che ha condotto l’esperimento al J-Parc: hanno preso nuclei di deuterio – dunque coppie formate da un protone e un neutrone – e li hanno bersagliati con un fascio di kaoni, in particolare mesoni K–. La particella Lambda(1405) si è formata là dove il kaone è riuscito a sfrattare il neutrone dal nucleo di deuterio e a prenderne il posto, dando così origine a una struttura formata dal protone rimasto – i cui componenti sono due quark up e un quark down – e dal mesone K–, costituito a sua volta da un quark strage e un antiquark up: in altre parole, i cinque quark di cui dicevamo prima. E proprio attorno a questo “in altre parole” – ovvero, attorno alla descrizione più appropriata di Lambda(1405) – si è concentrato per decenni l’interesse dei fisici.
Rappresentazione del barione esotico Λ(1405) e illustrazione schematica dell’evoluzione della materia dai quark al nucleo delle stelle di neutroni. Crediti: Hiroyuki Noumi
«Poiché la vita media di tale particella è molto breve», spiega a Media Inaf la scienziata della collaborazione E31 alla guida del team dell’Infn, Catalina Curceanu, «il suo studio sperimentale è particolarmente difficile. Lambda(1405) fornisce indicazioni sulla materia strana, e sulla sua struttura si dibatte da svariati anni: è un sistema composto da tre quark, oppure va considerato uno stato legato tra il mesone K– e il protone? La risposta a questa domanda offre indicazioni importanti per comprendere l’alchimia delle stelle di neutroni, cioè per capire come i quark strani potrebbero eventualmente sopravvivere nel cuore di questi oggetti, dove la materia è soggetta a pressioni e densità ben oltre quelle alle quali siamo abituati qui sulla Terra».
I dati prodotti al J-Parc suggeriscono che la lettura più convincente sia la seconda: Lambda(1405) è meglio descritta non come tre quark in stato eccitato bensì come uno stato legato – per quanto di durata brevissima – tra il mesone K– e il protone.
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Letters B l’articolo “Pole position of Λ() measured in d(K−,n)πΣ reactions”, della J-PARC E Collaboration: S. Aikawa, S. Ajimura, T. Akaishi, H. Asano, G. Beer, C. Berucci, M. Bragadireanu, P. Buehler, L. Busso, M. Cargnelli, S. Choi, C. Curceanu, S. Enomoto, H. Fujioka, Y. Fujiwara, T. Fukuda, C. Guaraldo, T. Hashimoto, R. S. Hayano, T. Hiraiwa, M. Iio, M. Iliescu, K. Inoue, Y. Ishiguro, S. Ishimoto, T. Ishikawa, K. Itahashi, M. Iwai, M. Iwasaki, K. Kanno, K. Kato, Y. Kato, S. Kawasaki, P. Kienle, Y. Komatsu, H. Kou, Y. Ma, J. Marton, Y. Matsuda, Y. Mizoi, O. Morra, R. Murayama, T. Nagae, H. Noumi, H. Ohnishi, S. Okada, Z. Omar, H. Outa, K. Piscicchia, Y. Sada, A. Sakaguchi, F. Sakuma, M. Sato, A. Scordo, M. Sekimoto, H. Shi, K. Shirotori, D. Sirghi, F. Sirghi, K. Suzuki, S. Suzuki, T. Suzuki, K. Tanida, H. Tatsuno, A. O. Tokiyasu, M. Tokuda, D. Tomono, A. Toyoda, K. Tsukada, O. Vazquez-Doce, E. Widmann, T. Yamaga, T. Yamazaki, H. Yim, Q. Zhang e J. Zmeskal