Meccanica quantistica: individuata una nuova forma di materia

AGI – Una forma di materia radicalmente diversa da quella ordinaria, composta non da quark ma soltanto da gluoni, potrebbe essere stata finalmente individuata dopo quasi cinquant'anni di ricerche. La collaborazione internazionale BESIII, alla quale partecipa anche l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), ha raccolto una catena di evidenze sperimentali secondo cui la particella X(2370) è dominata da una componente di 'glueball' pseudoscalare, uno stato legato costituito esclusivamente dai mediatori dell'interazione forte.

Il risultato, ottenuto dopo diciassette anni di raccolta e analisi dei dati al Beijing Electron Positron Collider, in Cina, rappresenta la più chiara evidenza sperimentale finora ottenuta dell'esistenza delle glueball ed è stato presentato ad agosto alla Conferenza internazionale di fisica delle alte energie, ICHEP 2026, in Brasile. Il lavoro è stato sottoposto alla rivista Physical Review Letters.

Dimostrata l'esistenza delle 'glueball'

La materia ordinaria che ci circonda è costituita da atomi, i cui nuclei contengono protoni e neutroni. Questi ultimi sono a loro volta composti da quark, tenuti insieme dall'interazione forte. La teoria che descrive questa forza fondamentale è la cromodinamica quantistica, o QCD, e le particelle che ne mediano l'azione sono i gluoni. La QCD prevede però una caratteristica peculiare: i gluoni possono interagire direttamente anche tra loro. Da questa proprietà deriva la possibilità che si attraggano fino a formare stati legati composti interamente da gluoni. Sono proprio queste ipotetiche particelle a essere chiamate glueball. La loro osservazione rappresenta uno degli obiettivi inseguiti da quasi mezzo secolo dalla fisica delle particelle. Dimostrarne l'esistenza consentirebbe infatti di verificare una proprietà fondamentale della cromodinamica quantistica alle basse energie: la cosiddetta "struttura di gauge non abeliana", responsabile della possibilità dei gluoni di interagire direttamente gli uni con gli altri.

La scoperta grazie alle particelle J/ψ

La strada che ha portato al nuovo risultato passa attraverso le particelle J/ψ prodotte in grandi quantità dal Beijing Electron Positron Collider. "La svolta al Beijing Electron Positron Collider è arrivata grazie alla produzione massiva di particelle J/ψ, i cui decadimenti radiativi rappresentano una delle migliori vie per la ricerca di glueball", ha spiegato Giulio Mezzadri, responsabile nazionale di BESIII per l'INFN. La storia di X(2370) comincia nel 2011, quando BESIII individuò questa nuova particella proprio studiando i decadimenti della J/ψ. Il passaggio successivo è arrivato nel 2024, grazie a un campione sperimentale enorme, costituito da circa 10 miliardi di particelle J/ψ. Questa quantità di dati ha permesso alla collaborazione di determinare per la prima volta i numeri quantici di spin e parità della X(2370), risultati pari a 0.

Numeri quantici e conferme teoriche

"Questo risultato ha segnato un passo cruciale verso la determinazione della natura di X(2370), poiché la sua massa e i suoi numeri quantici sono in completo accordo con la previsione della cromodinamica quantistica su reticolo per una glueball pseudoscalare", ha spiegato Mezzadri. Massa e numeri quantici compatibili con le previsioni teoriche, tuttavia, non rappresentano l'unico indizio. Le analisi più recenti di BESIII hanno individuato diverse nuove modalità attraverso le quali X(2370) decade e hanno permesso di determinarne per la prima volta la natura di "singoletto di sapore". È un elemento particolarmente importante per capire che cosa possa esserci dentro X(2370).

Il ruolo del sapore dei quark

I quark esistono infatti in differenti "sapori", come up, down o strange. I gluoni, al contrario, non possiedono sapore. Se una glueball è costituita esclusivamente da gluoni, quindi, non ci si aspetta che i suoi decadimenti siano legati a uno specifico sapore di quark. "I gluoni, a differenza dei quark, non hanno un sapore come up, down o strange. Ed essendo le glueball costituite esclusivamente da gluoni, non ci aspettiamo che decadano in particelle associate a un particolare sapore. E questo è proprio quello che le nostre osservazioni su X(2370) ci dicono", ha sottolineato Mezzadri.

Una nuova forma di materia

È la convergenza di queste diverse evidenze - massa, numeri quantici e comportamento nei decadimenti - a portare BESIII alla conclusione che X(2370) sia dominata da una componente di glueball pseudoscalare. Il risultato non equivale quindi semplicemente all'identificazione di un'altra particella nel già vasto catalogo della fisica subatomica. Se l'interpretazione sarà confermata, fornirà una verifica sperimentale diretta del fatto che i mediatori dell'interazione forte possono legarsi tra loro dando origine a una forma di materia diversa da quella costruita attraverso i quark.

La collaborazione internazionale BESIII

BESIII opera presso il Beijing Electron Positron Collider II, BEPCII, in Cina, e concentra la propria attività sulla fisica di precisione nella regione energetica del tau e del charm. La collaborazione internazionale comprende circa 700 scienziate e scienziati appartenenti a circa 96 istituti di ricerca di 15 Paesi. L'INFN partecipa a BESIII attraverso le sezioni di Ferrara, Perugia e Torino e i Laboratori Nazionali di Frascati. L'istituto italiano ha inoltre contribuito al recente aggiornamento dello spettrometro con la costruzione, l'installazione e l'operazione del rivelatore CGEM, destinato a consentire a BESIII di proseguire le indagini sull'interazione forte. Dopo quasi mezzo secolo nel quale le glueball sono rimaste una delle più elusive previsioni della cromodinamica quantistica, X(2370) fornisce dunque, secondo BESIII, la più forte evidenza sperimentale finora disponibile che i gluoni possano effettivamente legarsi tra loro e formare un nuovo tipo di materia.