"Tre quark per Muster Mark!", Scrisse James Joyce nella sua labirintica favola,Wake di Finnegan. Ormai potresti aver sentito questa citazione - la breve frase senza senso che alla fine ha dato il nome di "quark" ai blocchi fondamentali dell'Universo (ancora insuperati). I fisici di oggi credono di comprendere le basi di come i quark si combinano; tre si uniscono per formare barioni (particelle quotidiane come il protone e il neutrone), mentre due - un quark e un antiquark - si uniscono per formare varietà più esotiche e meno stabili chiamate mesoni. Le rare partnership a quattro quark sono chiamate tetraquark. E cinque quark legati in una danza delicata? Naturalmente, sarebbe un pentaquark. E il pentaquark, fino a poco tempo fa un semplice frutto della tradizione della fisica, è stato ora rilevato presso l'LHC!
Quindi qual è il grosso problema? Lungi dall'essere solo una parola divertente da dire cinque volte in fretta, il pentaquark può sbloccare nuove informazioni vitali sulla forte forza nucleare. Queste rivelazioni potrebbero in definitiva cambiare il modo in cui pensiamo al nostro amico superbamente denso, la stella di neutroni - e, in effetti, la natura della stessa materia familiare.
I fisici conoscono sei tipi di quark, ordinati per peso. Il più leggero dei sei sono i quark up e down, che compongono i barioni quotidiani più familiari (due up e un down nel protone e due down e un up nel neutrone). I successivi più pesanti sono il fascino e gli strani quark, seguiti dai quark in alto e in basso. E perché fermarsi qui? Inoltre, ciascuno dei sei quark ha un corrispondente anti-particella, o antiquark.
Un attributo importante di entrambi i quark e le loro controparti anti-particella è qualcosa chiamato "colore". Naturalmente, i quark non hanno il colore nello stesso modo in cui si potrebbe definire una mela "rossa" o l'oceano "blu"; piuttosto, questa proprietà è un modo metaforico di comunicare una delle leggi essenziali della fisica subatomica - che le particelle contenenti quark (chiamate adroni) portano sempre una carica di colore neutro.
Ad esempio, i tre componenti di un protone devono includere un quark rosso, un quark verde e un quark blu. Questi tre "colori" si sommano a una particella neutra allo stesso modo in cui luce rossa, verde e blu si combinano per creare un bagliore bianco. Leggi simili sono in vigore per il quark e l'antiquark che compongono un mesone: i loro rispettivi colori devono essere esattamente opposti. Un quark rosso si combinerà solo con un antiquark anti-rosso (o ciano) e così via.
Anche il pentaquark deve avere una carica di colore neutro. Immagina un protone e un mesone (in particolare un tipo chiamato mesone J / psi) legati insieme - un quark rosso, blu e verde in un angolo e una coppia quark-antiquark neutra nell'altro - per un un totale di quattro quark e un antiquark, tutti i colori dei quali si annullano perfettamente.
I fisici non sono sicuri se il pentaquark è creato da questo tipo di disposizione segregata o se tutti e cinque i quark sono collegati direttamente insieme; in entrambi i casi, come tutti gli adroni, il pentaquark è tenuto sotto controllo da quel titano della dinamica fondamentale, la forte forza nucleare.
La forte forza nucleare, come suggerisce il nome, è la forza indicibilmente robusta che incolla i componenti di ogni nucleo atomico: protoni e neutroni e, soprattutto, i loro quark costituenti. La forza forte è così tenace che non sono mai stati osservati "quark liberi"; sono tutti troppo strettamente confinati nei barioni dei genitori.
Ma c'è un posto nell'Universo in cui possono esistere quark in sé e per sé, in una sorta di stato meta-nucleare: in un tipo straordinariamente denso di stella di neutroni. In una tipica stella di neutroni, la pressione gravitazionale è così tremenda che cessano di esistere protoni ed elettroni. Le loro energie e cariche si fondono insieme, lasciando solo una massa di neutroni.
I fisici hanno ipotizzato che, a densità estreme, nella più compatta delle stelle, i neutroni adiacenti all'interno del nucleo possano persino disintegrarsi in un miscuglio di parti costituenti.
La stella di neutroni ... diventerebbe una stella di quark.
Gli scienziati ritengono che la comprensione della fisica del pentaquark possa far luce sul modo in cui la forza nucleare forte opera in condizioni così estreme - non solo in stelle di neutroni così densamente dense, ma forse anche nelle prime frazioni di secondo dopo il Big Bang. Ulteriori analisi dovrebbero anche aiutare i fisici a perfezionare la loro comprensione dei modi in cui i quark possono e non possono combinarsi.
I dati che hanno dato origine a questa scoperta: un enorme risultato di 9 sigma! - è uscito dalla prima manche dell'LHC (2010-2013). Con il supercollider che ora funziona al doppio della sua capacità energetica originale, i fisici non dovrebbero avere problemi a svelare ulteriormente i misteri del pentaquark.
Una prestampa della scoperta del pentaquark, che è stata presentata alla rivista Physical Review Letters, è disponibile qui.
