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.

X(3872)
Composizione	ccuu
Famiglia	Adroni
Gruppo	Mesoni
Interazioni	Gravità, elettromagnetica, debole, forte
Scoperta	Esperimento Belle, 2003
Proprietà fisiche
Massa	3871,56±0,22 MeV/c2
Spin	1

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 $\delta M=589\,MeV$, dovuto al contributo del processo:

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

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

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

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

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