Nei primi milionesimi di secondo dopo il Big Bang, l'universo era un plasma ribollente di trilioni di gradi composto da quark e gluoni, particelle elementari che si fondono brevemente in innumerevoli combinazioni prima di raffreddarsi e assumere configurazioni più stabili per formare neutroni. e protoni dalla materia ordinaria.
Nel caos del pre-raffreddamento, alcuni di questi quark e gluoni si sono scontrati casualmente per formare particelle "X" di breve durata, così chiamate a causa della loro struttura misteriosa e sconosciuta. Le particelle X dovrebbero essere estremamente rare, anche se i fisici ipotizzano che potrebbero essere create in acceleratori di particelle da fusioni di quark, dove collisioni ad alta energia possono generare esplosioni simili di plasma di quark e gluoni.
Ora i fisici hanno trovato prove della presenza di particelle X nel plasma di quark-gluoni prodotto al Large Hadron Collider (LHC) del CERN, l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare, con sede vicino a Ginevra, in Svizzera.
Il team di scienziati ha utilizzato tecniche di apprendimento automatico per testare oltre 13 miliardi di collisioni di ioni pesanti, ciascuna delle quali produce decine di migliaia di particelle cariche. Tra questa zuppa superdensa di particelle ad alta energia, i ricercatori sono stati in grado di isolare circa 100 particelle di tipo X, note come X (3872), dal nome della presunta massa della particella.
I risultati, pubblicati su Physical Review Letters, notano che i ricercatori hanno rilevato per la prima volta particelle X nei plasmi di quark-gluoni, un mezzo che sperano faccia luce sulla struttura ancora sconosciuta della particella.
"Questo è solo l'inizio della storia", afferma l'autore principale Yen-Jie Lee, professore di fisica al MIT. “Abbiamo dimostrato che possiamo trovare il segnale. Nei prossimi anni, vogliamo utilizzare il plasma di quark e gluoni per studiare la struttura interna della particella X, il che potrebbe cambiare la nostra comprensione del tipo di materiale che l'universo avrebbe dovuto produrre".
I coautori dello studio sono membri della CMS Collaboration, un team internazionale di scienziati che opera e raccoglie dati dal Compact Muon Solenoid, uno dei rivelatori di particelle dell'LHC.
Gli elementi costitutivi di base della materia sono il neutrone e il protone, ciascuno composto da tre quark strettamente correlati.
"Per anni abbiamo pensato che, per qualche ragione, la natura avesse deciso di produrre particelle che erano solo due o tre quark", dice Yen-Jee Lee.
Solo di recente i fisici hanno iniziato a notare segni di "tetraquark" esotici, particelle composte da una rara combinazione di quattro quark. Gli scienziati sospettano che X (3872) sia un tetraquark compatto o un tipo completamente nuovo di molecola fatta non di atomi, ma di due mesoni debolmente legati: particelle subatomiche che sono a loro volta composte da due quark.
X (3872) è stato scoperto per la prima volta nel 2003 come parte dell'esperimento Belle, un collisore in Giappone che entra in collisione con elettroni e positroni ad alta energia. Tuttavia, in questo ambiente, le particelle rare sono decadute troppo rapidamente perché gli scienziati potessero studiarne la struttura in dettaglio.
È stato suggerito che X(3872) e altre particelle esotiche possano essere illuminate meglio in un plasma di quark e gluoni.
Nel loro nuovo studio, i fisici hanno cercato segni di particelle X nel plasma di quark e gluoni generato dalle collisioni di ioni pesanti al Large Hadron Collider. Hanno basato la loro analisi su un set di dati LHC del 2018 che includeva oltre 13 miliardi di collisioni di ioni di piombo, ognuna delle quali ha rilasciato quark e gluoni che si sono dispersi e si sono fusi per formare più di un quadrilione di particelle di breve durata prima di raffreddarsi e decadere.
"Dopo che il plasma di quark e gluone si è formato e si è raffreddato, si sono formate così tante particelle che lo sfondo è diventato schiacciante", affermano gli scienziati. "Quindi abbiamo dovuto ridurre quello sfondo in modo da poter vedere le particelle X nei nostri dati".
Per fare ciò, il team di ricercatori ha utilizzato un algoritmo di apprendimento automatico, che ha insegnato a evidenziare i modelli di decadimento caratteristici delle particelle X. Immediatamente dopo la formazione di particelle nel plasma di quark e gluoni, decadono rapidamente in particelle "figlie", che si separano. Per le particelle X, questo modello di decadimento o distribuzione angolare è diverso da tutte le altre particelle.
I ricercatori hanno identificato le variabili chiave che descrivono la forma del modello di decadimento delle particelle X. Hanno addestrato un algoritmo di apprendimento automatico per riconoscere queste variabili e quindi hanno fornito all'algoritmo i dati effettivi dagli esperimenti di collisione all'LHC. L'algoritmo è stato in grado di setacciare un set di dati estremamente denso e rumoroso per selezionare le variabili chiave che erano probabilmente il risultato del decadimento delle particelle X.
Di conseguenza, i fisici sono riusciti a ridurre lo sfondo di diversi ordini di grandezza per vedere un segnale che indica la presenza di particelle X (3872): ce n'erano solo circa 100.
"È quasi impensabile poter isolare queste 100 particelle da un set di dati così enorme", affermano i ricercatori.
Nel prossimo anno o due, gli scienziati hanno in programma di raccogliere molti più dati che dovrebbero aiutare a capire la struttura della particella X. Se la particella è un tetraquark strettamente legato, dovrebbe decadere più lentamente che se fosse una molecola legata in modo lasco.
Ora che il team di fisici ha dimostrato che le particelle X possono essere rilevate in un plasma di quark e gluoni, hanno in programma di studiare questa particella in modo più dettagliato utilizzando un plasma di quark e gluoni per determinare la struttura della particella X.
“Attualmente i nostri dati sono coerenti con i due scenari perché non abbiamo ancora statistiche sufficienti. Nei prossimi anni raccoglieremo molti più dati in modo da poter separare questi due scenari", afferma Yen-Jee Lee. "Questo amplierà la nostra comprensione dei tipi di particelle che sono state prodotte in abbondanza nell'universo primordiale".
Lo studio è stato pubblicato in Physical Review Letters.
2022-02-06 19:02:35
Autore: Vitalii Babkin