Completato il puzzle del top quark

Venerdì 21 febbraio i gruppi di ricerca che fanno capo agli esperimenti CDF e DZero del Fermi National Accelerator Laboratory  hanno annunciato di aver osservato uno dei più rari metodi per creare un top quark, usando il cosiddetto “s-channel” per produrre una particella mediante la forza nucleare debole.

In questo modo hanno portato a compimento un progetto di ricerca che risale al  marzo del 1995, quando il Fermilab ha annunciato la scoperta del quark top, l’ultimo dei sei quark. La ricerca era iniziata nel 1977, quando era stato trovato il quinto quark, il bottom. 

Diagramma che mostra la creazione di un singolo top quarks usando s-channel. (Photocrediti: Fermilab).

Per raggiungere questo risultato, gli scienziati delle due collaborazioni hanno analizzato i dati provenienti da oltre 500 trilioni di collisioni protone-antiprotone prodotte dal Tevatron nel periodo di tempo che va dal 2001 al 2011. Hanno identificato circa 40 collisioni di particelle in cui la forza nucleare debole produce top quark insieme ai bottom quark. I top quark sono, inaspettatamente, le particelle elementari più pesanti. Pesano di più del bosone di Higgs – tanto quanto un atomo di oro – e solo due macchine sono state tradizionalmente in grado di produrli: il Tevatron del Fermilab e il Large Hadron Collider del CERN.

Secondo il Modello Standard, ci sono diversi modi per produrli. Il più comune è anche, storicamente, il primo ad essere stato sperimentato: brevemente, si tratta di una collisione in cui la forza nucleare forte crea una coppia di particelle composta da un top quark e dal suo cugino di antimateria, l’anti-top quark. Le collisioni che producono un singolo top quark attraverso la forza nucleare debole sono più rare, e il processo Tevatron ha appena annunciato l’esperimento più impegnativo per rilevarle. “Questa è una scoperta importante che fornisce una preziosa aggiunta al quadro dell’universo derivante dal Modello Standard”, ha spiegato James Siegrist, direttore del DOE. “Si completa in questo modo il ritratto di una delle particelle fondamentali del nostro universo, ritratto che ci mostra, al tempo stesso, uno dei modi più rari per crearle”.

Cercare un singolo top quark equivale a cercare un ago in miliardi di mucchi di fieno. Data la difficoltà insite nella ricerca, le collaborazioni CDF e DZero hanno selezionato solo una piccola frazione di collisioni utili per separarle dallo sfondo, motivo per cui il numero di occorrenze osservate in questo particolare canale è così piccolo. Tuttavia, la significatività statistica dei dati forniti da CDF e DZero è  superiore a quella minima e necessaria per rivendicare la scoperta. “Complimenti alle collaborazioni CDF e DZero per il loro lavoro nella scoperta di questo processo”, ha commentato Saul Gonzalez, direttore del programma per la National Science Foundation. “I ricercatori di tutto il mondo, tra cui decine di università negli Stati Uniti, hanno contribuito a questa importante scoperta”.

Nel 2009 gli esperimenti CDF e DZero hanno già osservato collisioni di particelle che hanno condotto alla creazione di top quark attraverso un processo differente; questa osservazione è stata successivamente confermata dagli scienziati grazie al Large Hadron Collider. “Sono contento che le collaborazioni CDF e DZero hanno completato il loro studio del top quark”, ha dichiarato il direttore del Fermilab, Nigel Lockyer. “L’eredità del Tevatron è indelebile, e questa scoperta rende l’ampiezza di tale ricerca ancora più grande”. Scienziati provenienti da 27 paesi hanno collaborato al Tevatron e agli esperimenti condotti dal CDF e da DZero, e continuano a studiare i dati prodotti durante l’esecuzione del collider, utilizzando tecniche e metodi di calcolo sempre più sofisticati.