Nei primi milionesimi di secondo dopo il Big Bang, l'universo era un turbolento plasma di quark e gluoni a trilioni di gradi, particelle elementari che si sono brevemente gonfiate insieme in innumerevoli combinazioni prima di raffreddarsi e stabilirsi in configurazioni più stabili per produrre i neutroni e i protoni della materia ordinaria.
Nel caos prima del raffreddamento, una frazione di questi quark e gluoni si è scontrata casualmente per formare particelle "X" di breve durata, così chiamate per le loro strutture misteriose e sconosciute. Oggi, le particelle X sono estremamente rare, anche se i fisici hanno teorizzato che possono essere create negli acceleratori di particelle attraverso la coalescenza dei quark, dove le collisioni ad alta energia possono generare lampi simili di plasma di quark-gluoni.
Ora i fisici del Laboratorio di Scienza Nucleare del MIT ed altri scienziati hanno trovato prove di particelle X nel plasma di quark-gluoni prodotto nel Large Hadron Collider (LHC) al CERN, l'Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare, con sede vicino a Ginevra, in Svizzera.
Il team ha utilizzato tecniche di apprendimento automatico per setacciare oltre 13 miliardi di collisioni di ioni pesanti, ognuna delle quali ha prodotto decine di migliaia di particelle cariche. In mezzo a questa zuppa di particelle ultradense e ad alta energia, i ricercatori sono stati in grado di estrarre circa 100 particelle X, di un tipo noto come X (3872), chiamato così per la massa stimata della particella.
I risultati, pubblicati questa settimana su Physical Review Letters, segnano la prima volta che i ricercatori hanno rilevato particelle X nel plasma di quark-gluoni, un ambiente che sperano possa illuminare la conoscenza della struttura ancora sconosciuta delle particelle.
"Questo è solo l'inizio", ha affermato l'autore principale Yen-Jie Lee, professore associato di fisica al MIT. "Abbiamo dimostrato che possiamo trovare un segnale. Nei prossimi anni vogliamo usare il plasma di quark-gluoni per sondare la struttura interna della particella X, che potrebbe cambiare la nostra visione del tipo di materiale che l'universo dovrebbe produrre".
I co-autori dello studio sono membri della CMS Collaboration, un team internazionale di scienziati che opera e raccoglie dati dal Compact Muon Solenoid, uno dei rivelatori di particelle di LHC. Gli elementi costitutivi di base della materia sono il neutrone e il protone, ognuno dei quali è costituito da tre quark strettamente legati. "Per anni avevamo pensato che per qualche ragione, la natura avesse scelto di produrre particelle fatte solo da due o tre quark", ha spiegato Lee.
Solo di recente i fisici hanno iniziato a vedere segni di "tetraquark" esotici, particelle fatte da una rara combinazione di quattro quark. Gli scienziati sospettano che X (3872) sia un tetraquark compatto o un tipo completamente nuovo di particella fatta non da atomi ma da due mesoni liberamente legati, particelle subatomiche che a loro volta sono fatte da due quark.
X (3872) è stato scoperto per la prima volta nel 2003 dall'esperimento Belle, un collisore di particelle in Giappone che distrugge insieme elettroni e positroni ad alta energia. All'interno di questo ambiente, tuttavia, le particelle rare sono decadute troppo rapidamente perché gli scienziati potessero esaminare la loro struttura in dettaglio. È stato ipotizzato che X (3872) e altre particelle esotiche potrebbero essere meglio illuminate nel plasma di quark-gluoni.
Nel loro nuovo studio, Lee e i suoi colleghi hanno cercato segni di particelle X all'interno del plasma di quark-gluoni generato da collisioni di ioni pesanti nel Large Hadron Collider del CERN. Hanno basato la loro analisi sul set di dati 2018 di LHC, che includeva oltre 13 miliardi di collisioni di ioni di piombo, ognuna delle quali ha rilasciato quark e gluoni che si sono dispersi e fusi per formare più di un quadrilione di particelle di breve durata prima del raffreddamento e del decadimento.
"Dopo che il plasma quark-gluone si forma e si raffredda, ci sono così tante particelle prodotte, lo sfondo è travolgente", ha spiegato Lee. "Quindi abbiamo dovuto abbattere questo sfondo in modo da poter finalmente vedere le particelle X nei nostri dati".
Per fare questo, il team ha utilizzato un algoritmo di apprendimento automatico che hanno addestrato per individuare i modelli di decadimento caratteristici delle particelle X. Immediatamente dopo che le particelle si formano nel plasma di quark-gluoni, si scompongono rapidamente in particelle "figlie" che si disperdono. Per le particelle X, questo modello di decadimento, o distribuzione angolare, è distinto da tutte le altre particelle.
I ricercatori, guidati dal postdoc del MIT Jing Wang, hanno identificato variabili chiave che descrivono la forma del modello di decadimento delle particelle X. Hanno addestrato un algoritmo di apprendimento automatico per riconoscere queste variabili, quindi hanno alimentato i dati effettivi dell'algoritmo dagli esperimenti di collisione di LHC. L'algoritmo è stato in grado di setacciare il set di dati estremamente denso e rumoroso per individuare le variabili chiave che erano probabilmente il risultato del decadimento delle particelle X.
I ricercatori hanno ingrandito i segnali e hanno osservato un picco a una massa specifica, indicando la presenza di particelle X (3872), circa 100 in tutto. "È quasi impensabile che possiamo estrarre queste 100 particelle da questo enorme set di dati", ha affermato Lee, che insieme a Wang ha eseguito più controlli per verificare la loro osservazione.
Nei prossimi uno o due anni, i ricercatori hanno in programma di raccogliere molti più dati, che dovrebbero aiutare a chiarire la struttura della particella X. Se la particella è un tetraquark strettamente legato, dovrebbe decadere più lentamente che se fosse una particella legata liberamente. Ora che il team ha dimostrato che le particelle X possono essere rilevate nel plasma di quark-gluoni, hanno in programma di sondare questa particella con plasma di quark-gluoni in modo più dettagliato, per definire la struttura della particella X.