Tutto ciò che ci circonda possiede massa, ma la sua origine rimane uno dei più grandi interrogativi irrisolti della fisica. Secondo le teorie moderne, la massa non deriva semplicemente dalla materia stessa. È invece legata alla natura del vuoto, che non è uno spazio vuoto ma un ambiente dinamico con una struttura complessa. Lo studio di sistemi di particelle speciali può aiutare gli scienziati a comprendere meglio questa struttura nascosta e come viene generata la massa.
Un approccio promettente riguarda i mesoni, particelle composte da un quark e un antiquark, legati insieme a un nucleo atomico. Questa combinazione è nota come nucleo mesico. Esaminando questi sistemi, i ricercatori possono studiare la struttura del vuoto e i meccanismi che conferiscono massa alle particelle. Ora, nuovi risultati sperimentali hanno avvicinato gli scienziati a questo obiettivo, rivelando l’esistenza di un tipo completamente nuovo di nucleo mesico.
Prove dell’esistenza di uno stato di particella rara ed esotica
Un team internazionale di ricercatori ha segnalato la presenza di uno stato finora inedito, ma teoricamente previsto, denominato nucleo η′-mesico. I loro risultati, che saranno pubblicati su Physical Review Letters, indicano la possibile esistenza di questo insolito sistema legato.
In determinate condizioni, particelle di brevissima durata note come mesoni, che esistono per meno di un decimilionesimo di secondo, possono rimanere temporaneamente intrappolate all’interno di un nucleo atomico. Quando ciò accade, si forma uno stato raro ed esotico. Lo studio di questi nuclei mesici può aiutare gli scienziati a comprendere il comportamento della forza nucleare forte e le variazioni del vuoto in ambienti estremamente densi.
“Una particella di particolare interesse è il mesone η′”, afferma l’autore senior Kenta Itahashi. “È insolitamente pesante rispetto alle particelle simili e i fisici prevedono che la sua massa cambi quando si trova all’interno della materia nucleare. Osservare questo fenomeno fornirebbe preziose informazioni su come vengono generate le masse delle particelle nell’universo.”
Esperimento ad alta precisione all’interno di un acceleratore di particelle
Per cercare nuclei η′-mesici, il team ha condotto un esperimento di alta precisione presso il Centro Helmholtz per la ricerca sugli ioni pesanti del GSI in Germania.
I ricercatori hanno diretto un fascio di protoni ad alta energia su un bersaglio di carbonio. Questo processo ha eccitato i nuclei di carbonio e prodotto mesoni η′, che in alcuni casi si sono legati al nucleo. Per studiare queste interazioni, il team ha misurato l’energia di eccitazione dei nuclei di carbonio analizzando i deuteroni – il nucleo atomico più semplice, composto da un protone e un neutrone – emessi durante la reazione. Queste misurazioni sono state effettuate utilizzando uno spettrometro ad alta risoluzione chiamato Fragment Separator (FRS).
L’esperimento si è avvalso anche di un rivelatore specializzato noto come WASA, originariamente sviluppato a Uppsala, in Svezia. Questo dispositivo ha permesso agli scienziati di rilevare i protoni ad alta energia che lasciavano il bersaglio e di identificare i segnali che indicavano la creazione e la cattura di un mesone η′ all’interno del nucleo. Questi segnali, noti come “firme di decadimento”, sono stati fondamentali per identificare lo stato esotico.
“Grazie alla nostra nuova configurazione sperimentale che combina FRS e WASA, siamo in grado di identificare nei dati strutture che corrispondono alle caratteristiche teoriche dei nuclei η′-mesici”, spiega l’autore principale Ryohei Sekiya. “La nostra analisi suggerisce che questi stati legati si siano effettivamente formati.”
Cosa rivelano i risultati sulla massa
Lo spettro di eccitazione del nucleo di carbonio misurato nell’esperimento mostra schemi coerenti con la formazione di nuclei η′-mesici. I risultati suggeriscono inoltre che la massa del mesone η′ potrebbe diminuire quando si trova all’interno della materia nucleare. Questa scoperta supporta le previsioni teoriche e offre una rara visione sperimentale di come le proprietà delle particelle possano cambiare in condizioni estreme.
“Le nostre misurazioni forniscono nuovi importanti indizi sul comportamento dei mesoni nella materia nucleare”, afferma Itahashi. “Questo ci avvicina alla risposta a domande fondamentali e profonde su come la materia acquisisce massa e su come cambia la struttura del vuoto all’interno dei nuclei atomici.”
Cosa succederà dopo?
Il team prevede di condurre ulteriori esperimenti per migliorare la precisione delle misurazioni e ricercare altri segnali di decadimento che potrebbero confermare l’esistenza dei nuclei η′-mesici. Ogni nuovo risultato contribuirà ad affinare la nostra comprensione delle leggi fondamentali che governano la materia e l’universo.
L’articolo, “Excitation Spectra of the 12C(p,d) Reaction near the η’-Meson Emission Threshold Measured in Coincidence with High-Momentum Protons”, è stato pubblicato su Physical Review Letters .
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