Il toponio, una particella subatomica rimasta per lungo tempo confinata nel territorio della pura teoria, esiste davvero. A confermarlo è una nuova misurazione effettuata dall’esperimento CMS (Compact Muon Solenoid) presso il Large Hadron Collider del CERN di Ginevra, che si è dimostrata coerente con l’esistenza di questa particella composta, la più massiccia mai osservata. Si tratta, per capirci, dell’unione momentanea di un quark top e del suo antiquark.
Il risultato è stato presentato la settimana scorsa alla conferenza Rencontres de Moriond, un appuntamento accademico dedicato alla diffusione dei risultati di ricerca nel campo della fisica delle particelle. Questa nuova evidenza rafforza l’osservazione dello scorso anno, secondo cui i quark top potrebbero effettivamente accoppiarsi, anche se per brevissimo tempo, con le loro controparti di antimateria.
Come funziona la materia e perché il quark top è così speciale
Vale la pena fare un piccolo passo indietro. La maggior parte della materia è composta da atomi, nei quali gli elettroni sono legati ai protoni tramite la forza elettromagnetica. I protoni, però, non sono particelle elementari: appartengono a una famiglia di particelle subatomiche chiamate adroni (suddivisi in barioni e mesoni), a loro volta formati dai quark, tenuti insieme dalla forza nucleare forte. I quark si differenziano in sei tipi: up, down, charm, strange, top e bottom.
Tra gli stati più semplici ci sono le coppie formate da un quark con il proprio antiquark. Da decenni queste combinazioni sono note per ogni tipo di quark, tranne uno: il quark top. Si tratta della particella elementare più pesante e dalla vita più breve che si conosca, scoperta per la prima volta oltre 30 anni fa dall’acceleratore Tevatron, nei pressi di Chicago.
La comunità scientifica ha a lungo ipotizzato che il quark top decadesse troppo rapidamente per riuscire a formare stati legati. E in effetti, anche quando prodotto insieme al suo antiquark, il quark top decade prima che si possa osservare un vero e proprio stato legato. Gli esperimenti al Large Hadron Collider erano comunque riusciti a misurare l’entanglement quantistico tra quark top e antiquark, ma la questione restava aperta.
La svolta grazie all’intelligenza artificiale e a centinaia di milioni di collisioni
Quello che ha cambiato le carte in tavola è la quantità impressionante di dati raccolta dal LHC: centinaia di milioni di coppie quark top e antiquark prodotte nel corso degli esperimenti. Un insieme così vasto che anche i fenomeni più rari hanno finito per lasciare una traccia rilevabile.
In questa ultima misurazione, il gruppo di ricerca è riuscito a fornire ulteriori prove dell’esistenza del toponio grazie a una nuova tecnica assistita dall’intelligenza artificiale. Il toponio è la particella subatomica in cui il quark top e la sua controparte si legano in modo fugace, completando così la famiglia di stati quark e antiquark tenuti insieme dalla forza nucleare forte.
“Il toponio è più pesante del nucleo atomico più pesante conosciuto, l’oganesson, il che lo rende lo stato legato più massiccio mai osservato”, ha commentato Regina Demina, responsabile del gruppo CMS presso l’Università di Rochester. E ha aggiunto: “La sua scoperta approfondisce la nostra comprensione della forza nucleare forte e della sua capacità di legare i costituenti fondamentali della materia”.
