X(3872)

La particella X(3872) è un mesone esotico scoperto nel 2003 dall'esperimento Belle e confermato successivamente dagli esperimenti BaBar, CDF, DØ e LHCb. Le sue proprietà non sono del tutto note, sebbene sia chiaro che questo mesone non possa essere considerato un charmonio standard, per via di numerose peculiarità.

Scoperta

La X(3872) è stata osservata per la prima volta dall'esperimento Belle al collider asimmetrico elettrone-positrone KEKB. Nelle collisioni sono generate numerose coppie di mesoni B, i quali decadendo possono produrre risonanze contenenti quark charm. In particolare il processo studiato è il seguente:

$B^{\pm }\to K^{\pm }{l}^{+}{l}^{-}{\pi }^{+}{\pi }^{-},$

dove i mesoni B carichi decadono in mesoni K, una coppia di leptoni (elettroni o muoni) e una coppia di pioni carichi. La quantità studiata è la massa invariante dei leptoni e dei pioni meno la massa invariante dei leptoni:

$\delta M=M(ll\pi \pi )-M(ll).$

La distribuzione attesa per questa quantità era una curva continua con un picco in corrispondenza a $\delta M=589MeV$, dovuto al contributo del processo:

$B^{\pm }\to K^{\pm }\psi (2S)\to K^{\pm }(J/\psi {\pi }^{+}{\pi }^{-})\to K^{\pm }((l^{+}{l}^{-}){\pi }^{+}{\pi }^{-})$

in cui è prodotto un mesone $\psi (2S)$.

Oltre al picco della $\psi (2S)$, si osservò sperimentalmente un ulteriore picco a $\delta M=775MeV$, corrispondente alla presenza di una particella (chiamata temporaneamente X) di massa 3872 MeV, che partecipa al processo in modo analogo al mesone $\psi (2S)$:

$B^{\pm }\to K^{\pm }X\to K^{\pm }(J/\psi {\pi }^{+}{\pi }^{-})\to K^{\pm }((l^{+}{l}^{-}){\pi }^{+}{\pi }^{-})$

Il picco ha una larghezza inferiore alla risoluzione sperimentale, ponendo quindi un limite superiore alla larghezza della risonanza di 3 MeV.

Negli anni successivi ulteriori misure hanno portato alla determinazione delle larghezze di decadimento in alcuni canali. Per lungo tempo i numeri quantici J^PC della X(3872) sono rimasti ignoti: le due ipotesi più probabili furono 1⁺⁺ e 2^-+, determinati dallo studio della distribuzione angolare dei leptoni e dei pioni nello stato finale. Nel febbraio 2013 la collaborazione LHCb ha pubblicato uno studio che favorisce nettamente l'ipotesi 1⁺⁺.

Il valore della C-parità della X(3872) è sicuramente positivo, a causa dell'osservazione del decadimento $X\to J/\psi \gamma$.

Interpretazione

Le caratteristiche della X(3872) rendono impossibile la sua identificazione con un charmonio standard. Le due caratteristiche più importanti sono:

• la ridotta larghezza totale della risonanza: infatti i charmoni standard al di sopra della soglia di open-charm hanno larghezze tipicamente superiori a 10 MeV;
• la forte violazione di isospin riscontrata nei suoi decadimenti: infatti le larghezze parziali dei decadimenti $X\to J/\psi \omega$ e $X\to J/\psi {\rho }^0$ sono dello stesso ordine di grandezza, sebbene i due stati finali abbiano valori di isospin totale rispettivamente pari a 0 e 1; i charmoni standard sono stati a isospin totale nullo (non contengono quark up o down), quindi se la X fosse un charmonio standard il decadimento in $J/\psi {\rho }^0$ dovrebbe essere fortemente soppresso.

Le interpretazioni attualmente favorite sono quelle di molecola di mesoni D e D^* e di tetraquark, sebbene non ci sia attualmente un accordo nella comunità scientifica.

Voci correlate

• Adrone esotico
• Modello a quark costituenti
• Cromodinamica quantistica