Un nuovo barione neutro al Fermilab

In origine (la fine degli anni Sessanta del XX secolo) lo zoo delle particelle⁽¹⁾ è un modo colloquiale per descrivere la lunga lista di particelle elementari, un serraglio cui solo il Modello Standard è riuscito a mettere ordine. Con la sua accettazione, infatti l'MS è stato in grado di identificare tre famiglie fondamentali di particelle le cui interazioni una con l'altra consentono di spiegare la creazione delle particelle non elementari, riducendo gli ingredienti fondamentali a 16 particelle suddivise in leptoni, quark (che insieme costituiscono i fermioni, particelle con spin semi-intero) e bosoni (le particelle a spin intero che mediano l'interazione consentendo lo scambio dei numeri quantici):

(Commons)

Possiamo classificare le particelle anche in una serie di sottofamiglie, come ad esempio quella dei barioni, particelle pesanti costituite da tre quark: ad esempio protonee neutrone sono barioni con composizione interna rispettivamente di uud e udd, dove u è il quark up e d quello down.
Conosciamo sei tipi di quark: up (u) e down (d), già incontrati e che spiegano protoni e neutroni, e quindi charm (c), strange (s), top (t) e bottom (b) che spiegano le altre particelle pesanti in base a una serie di combinazioni tra i quark stessi che possono essere visualizzate in grafici come il seguente:

(sorgente)

Nella parte superiore ci sono le particelle con momento angolare $J = 1/2$ mentre in quella inferiore quelle con momento angolare $J = 3/4$. Oggi ci concentriamo sul gruppo con $J = 1/2$, in particolare sull'ultima scoperta di CDF, una delle collaborazioni del Tevatron presso il Fermilab, infatti non tutte le particelle predette dall'MS sono state trovate, e la caccia è ancora aperta.
Il 20 luglio, Pat Lukens ha annunciato la prima osservazione di $\Xi_b^0$, un barione con la struttura usb:

Per poter rilevare questo nuovo barione, i ricercatori del Tevatron devono ricostruire i seguenti canali di decadimento:

\[\Xi_b^0 \rightarrow \Xi_c^+ \pi^-\]
\[\Xi_c^+ \rightarrow \Xi^- \pi^+ \pi^+\]
\[\Xi^- \rightarrow \Lambda \pi^-\]
\[\Lambda \rightarrow p \pi^-\]
che si possono visualizzare nel seguente diagramma:

Come si può vedere ci sono molti canali di rilevazione, questo vuol dire che determinare il canale di decadimento cui il Fermilab è interessato non è molto semplice: infatti il preprint (via ScienceDaily) è per la maggior parte incentrato a descrivere la procedura per selezionare il canale corretto.
Alla fine di questo lungo lavoro i ricercatori sono stati in grado di osservare un picco nelle distribuzioni di $\Xi_c^0 \pi^-$ (a) e $\Xi_c^+ \pi^-$ (b):

e probabilmente corrisponde a una particella con massa $m = 5787.8 \pm 5.0 (\text{stat}) \pm 1.3 (\text{syst}) MeV/c^2$.
Il preprint, però, presenta anche una interessante analisi che raramente si legge in articoli di questo genere: la ricostruzione delle traiettorie usando la distanza di volo trasversa, $f(h)$ dell'adrone $h$, che è la distanza percorsa da una data particella nella vista trasversa.
Si può distinguere tra particelle neutre e cariche. Nel primo caso la dvt è data da
\[f(h) = \left (\vec{r_d} - \vec{r_o} \right ) \frac{\vec{p_T}(h)}{\left | \vec{p_T}(h) \right |}\]
dove $\vec{r_d}$ è la posizione del decadimento della particella, $\vec{r_o}$ è un punto di origine, $\vec{p_T}$ il momento trasverso.
Per le particelle cariche, invece, $f(h)$ è calcolata come la lunghezza dell'arco nella vista trasversa da $\vec{r_c}$ a $\vec{r_d}$, dove $\vec{r_c}$ è il punto più vicino a $\vec{r_o}$ lungo la traiettoria della particella.
$f(h)$ è anche utilizzata per calcolare il tempo proprio di decadimento degli stati debolmente decadenti⁽²⁾:
\[t = f(h) \frac{M(h)}{c \left | \vec{p_T}(h) \right |}\]
dove $M(h)$ è la massa ricostruita della particella.
Un altro strumento utilizzato per la ricostruzione delle traiettorie è la distanza d'impatto trasversa $d(h)$, la distanza tra $\vec{r_c}$ e $\vec{r_o}$. Per le particelle neutre è data da:
\[d(h) = \frac{\left | \left ( \vec{r_d}-\vec{r_o} \right ) \times \vec{p_T}(h) \right |}{\left | \vec{p_T}(h) \right |}\]
mentreper quelle cariche è semplicemente:
\[d(h) = \left | \vec{r_c}-\vec{r_o} \right |\]
La scoperta di $\Xi_b^0$, se confermata, va ad aggiungersi alle precedenti scoperte fatte dal Fermilab dei barioni $\Xi_b^-$ (dsb), $\Sigma_b^*$ (uub, ddb), $\Omega_b$ (ssb).

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Probabilmente lo conoscete, il Particle Data Group: possiamo considerarlo come la bibbia delle particelle! E sarà proprio tra le sue pagine che $\Xi_b^0$ troverà posto quando la sua scoperta verrà ufficialmente confermata.
Infine vi suggerisco un video divertente proprio riguardante lo zoo delle particelle.
Enjoy!

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P.S.: un grazie a Marco Delmastro e Tommaso Dorigo per aver condiviso e scritto di questa news.

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(1) Vedi anche il sito ufficiale dei gadget dello zoo delle particelle.
(2) L'interazione debole ha, tipicamente, dei tempi di decadimento brevi: ad esempio i bosoni W e Z vivono circa $10^{-24}$ s, o ancora il $\pi^0$ vive $10^{-16}$ s, mentre il neutrone è piuttosto longevo con i suoi 15 minuti.