GINEVRA – Nelle viscere del Large Hadron Collider (LHC), il più grande e potente acceleratore di particelle al mondo, la scienza ha compiuto un altro balzo in avanti. La collaborazione internazionale dell’esperimento LHCb ha annunciato la scoperta di una nuova particella subatomica, battezzata Xi-cc-plus (Ξcc⁺), un “parente” esotico e significativamente più pesante del comune protone. La sua esistenza, a lungo teorizzata ma mai osservata con certezza, è stata tradita dal suo rapidissimo decadimento in particelle più leggere, una firma inequivocabile catturata dai sensibilissimi strumenti del rivelatore.
Questa scoperta non è solo un nuovo tassello nel complesso puzzle della fisica delle particelle; rappresenta il primo, trionfale risultato scientifico ottenuto grazie alla versione aggiornata dell’esperimento LHCb, un upgrade che ha visto un contributo determinante dell’Italia, coordinato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). L’annuncio è stato fatto in una delle sedi più prestigiose per la comunità scientifica, la conferenza “Rencontres de Moriond”, che quest’anno celebra la sua 60esima edizione, sottolineando l’importanza del risultato.
Un protone con una marcia in più: la struttura della Xi-cc-plus
Per comprendere l’eccezionalità di questa scoperta, bisogna addentrarsi nella meccanica quantistica che governa il cuore della materia. Le particelle come il protone, e la nuova arrivata Xi-cc-plus, appartengono alla famiglia dei barioni. I barioni sono composti da tre costituenti fondamentali chiamati quark. Il nostro familiare protone è formato da due quark “up” e un quark “down”, i più leggeri tra i sei “sapori” di quark conosciuti.
La particella Xi-cc-plus, pur condividendo una struttura a tre quark, si distingue per una composizione decisamente più “esotica” e pesante. Al posto dei due quark “up”, essa ospita due quark “charm”, molto più massicci, affiancati da un singolo quark “down”. Questa configurazione inedita le conferisce una massa quasi quattro volte superiore a quella del protone, rendendola una sorta di “peso massimo” nella sua categoria. Come spiega Giovanni Punzi, ricercatore dell’INFN, professore all’Università di Pisa e responsabile nazionale di LHCb, “la struttura è simile a quella del protone, ma è molto più pesante ed esotica, perché i quark charm non si trovano nella materia ordinaria ed è difficile produrli anche con acceleratori potenti come Lhc”.
Questa scoperta risolve un dibattito scientifico che durava da oltre due decenni, smentendo precedenti rivendicazioni mai confermate e fornendo dati solidi e coerenti con le previsioni teoriche.
L’upgrade di LHCb: la tecnologia dietro la scoperta
L’identificazione della Xi-cc-plus non sarebbe stata possibile senza il recente e massiccio potenziamento del rivelatore LHCb, completato nel 2023. Questo upgrade ha trasformato l’esperimento, aumentandone drasticamente la sensibilità e la velocità di acquisizione dei dati. “L’aggiornamento ci consente di raccogliere ogni giorno una quantità di dati 15 volte maggiore rispetto a prima”, ha dichiarato Punzi. “Adesso vediamo queste particelle con molta più chiarezza e ciò genera molto entusiasmo”.
L’Italia, con l’INFN, ha giocato un ruolo di primo piano in questo potenziamento, con una percentuale di ricercatori coinvolti (19%) che supera quella di ogni altro Paese. Gruppi di ricerca di diverse università, come Ferrara e Pisa, hanno contribuito in modo decisivo allo sviluppo e alla gestione di componenti chiave, come i rivelatori Cherenkov (RICH), essenziali per identificare con precisione le particelle prodotte dal decadimento.
Implicazioni per la fisica: un laboratorio per la forza forte
La scoperta della Xi-cc-plus non è una mera curiosità accademica. Essa fornisce agli scienziati un “laboratorio” naturale unico per studiare la Cromodinamica Quantistica (QCD), la teoria che descrive l’interazione forte, una delle quattro forze fondamentali della natura che tiene uniti i quark all’interno di protoni e neutroni. “Studiare stati di questo tipo permette di mettere alla prova con grande precisione la cromodinamica quantistica”, spiega Massimiliano Fiorini, professore dell’Università di Ferrara.
La presenza di due quark pesanti (i charm) che orbitano l’uno attorno all’altro, con un quark leggero (il down) che orbita attorno a questo sistema binario, crea un modello simile a un sistema planetario subatomico. Osservare il comportamento di questa particella instabile, che decade in circa 45 femtosecondi (45 milionesimi di miliardesimo di secondo), permette di testare i modelli teorici con una precisione senza precedenti e di affinare la nostra comprensione della struttura della materia.
Uno sguardo al futuro: verso l’High-Luminosity LHC
Il successo dell’esperimento LHCb è solo l’inizio. I ricercatori sono già a caccia di altri membri della famiglia dei barioni con doppio quark charm, come una particella ancora più pesante che contenga un quark “strange”. Ma la vera prossima frontiera sarà l’High-Luminosity LHC (HL-LHC).
A partire dall’estate del 2026, l’LHC affronterà un lungo periodo di stop di circa quattro anni per un upgrade monumentale. Il progetto HL-LHC aumenterà fino a 10 volte il numero di collisioni tra particelle, inaugurando una nuova era per la fisica delle alte energie. Questo permetterà non solo di studiare con dettagli ancora maggiori le particelle già note, come il bosone di Higgs, ma anche di andare a caccia di fenomeni rari che potrebbero svelare una fisica completamente nuova, al di là del Modello Standard. L’esperimento LHCb verrà ulteriormente potenziato per questa nuova fase, con l’obiettivo di raccogliere ed analizzare dati con una velocità e una precisione ancora maggiori, proiettando la ricerca fondamentale verso orizzonti oggi inimmaginabili.