La collaborazione BES III, che opera al collisore elettrone-positrone di Pechino, sostiene di aver chiuso una ricerca che dura da oltre mezzo secolo: la prova pi� solida finora dell’esistenza dei glueball, particelle composte quasi interamente da gluoni e previste dalla cromodinamica quantistica. Il risultato, di cui parla anche Science, � arrivato in un preprint pubblicato su arXiv il mese scorso e in una presentazione alla International Conference on High Energy Physics la settimana scorsa: la particella X(2370), ottenuta scontrando elettroni e positroni ad alta energia, mostra le propriet� attese da uno stato di soli gluoni.
I gluoni sono i portatori della forza nucleare forte, quella che tiene insieme i quark dentro protoni e neutroni. Non hanno massa, eppure l’energia del legame che costruiscono � enorme, e gran parte della massa di protoni e neutroni viene da l� e non dai quark che li compongono: sommando le masse dei tre quark di un protone si arriva a circa l’uno per cento del totale, tutto il resto � energia del campo che si manifesta come massa secondo l’equivalenza di Einstein. Hanno per� una caratteristica ulteriore: si attaccano anche fra loro, non solo ai quark. � qui che si separano dai fotoni, i portatori della forza elettromagnetica: un fotone non porta carica elettrica e quindi ignora gli altri fotoni, motivo per cui non esiste nulla di simile a un grumo fatto di sola luce. I gluoni invece trasportano essi stessi la carica della forza forte, il colore, e possono perci� legarsi l’uno all’altro. Da questa propriet� discende la previsione teorica di una particella fatta di gluoni e basta, senza alcun quark, e la teoria ne ammette di pi� tipi.
Il terreno di caccia � il J/?, un mesone scoperto nel 1974 e formato da un quark charm e dal suo antiquark. Decadendo produce grandi quantit� di gluoni e di adroni, e da tempo i fisici lo considerano il regime sperimentale migliore in cui cercare la firma di un glueball. Il canale che conta � il decadimento radiativo: quark charm e antiquark si annichilano emettendo un fotone, che porta via parte dell’energia, e ci� che resta � un ambiente fatto in prevalenza di gluoni. Poco rumore di quark leggeri rispetto a ci� che si vuole isolare, che � esattamente la condizione necessaria per riconoscere uno stato gluonico. BES III nasce per questo: il collisore aggiornato ha iniziato a raccogliere dati nel 2008 e nel giro di un anno aveva registrato oltre 226 milioni di eventi J/?, saliti a pi� di dieci miliardi entro il 2024. Da questo lavoro nel 2011 � emerso X(2370), uno dei candidati pi� solidi al ruolo di glueball pi� leggero.
Il nome della particella viene dalla prima misura della sua massa, 2,370 GeV/c�, vicina ai 2,395 GeV/c� fissati da un calcolo di QCD su reticolo del 2019, che porta con s� un margine di �0,014. Il reticolo � il modo con cui i teorici aggirano un problema pratico: le equazioni della forza forte non si risolvono con carta e penna in questo regime, cos� lo spazio-tempo viene suddiviso in una griglia di punti e il calcolo viene affidato a supercomputer. � l’unico strumento che produca numeri, e per questo il confronto fra valore previsto e valore misurato pesa quanto pesa. Ma la massa da sola non identifica nulla: a energie simili esistono mesoni ordinari fatti di quark, e un accordo numerico non li esclude. Con la statistica accumulata fino al 2024 sono arrivati spin e parit�, determinati per la prima volta e risultati compatibili con la teoria. Non bastava comunque a dichiarare la scoperta senza ambiguit�.
Massa, parit� e sapore
I risultati presentati ora analizzano diversi canali di decadimento di X(2370) mai esaminati prima, e da l� emerge che la particella � un singoletto di sapore. Il sapore � l’etichetta che distingue i tipi di quark (up, down, strange, charm e cos� via) e un adrone ordinario porta impressa nei propri decadimenti la firma di quelli che contiene, perch� finisce pi� spesso nei canali che rispecchiano la sua composizione. X(2370) non mostra questa preferenza: si comporta allo stesso modo verso tutti i sapori leggeri, non risulta associata n� a up, n� a down, n� a strange. � l’indizio che ci si aspetta da un oggetto in cui a dominare sono i gluoni, perch� senza quark dentro non c’� nessun sapore da lasciar trasparire.
Shan Jin, fra i responsabili del lavoro, stima che X(2370) sia composto per circa il 90% da gluoni, e la collaborazione considera completa la catena di prove: massa, numeri quantici e sapore coincidono con le tre propriet� principali previste per un glueball. I numeri quantici sono la sua carta d’identit� e si scrivono 0??: spin zero, cio� nessun momento angolare intrinseco; parit� dispari, cio� la funzione d’onda cambia segno se si invertono le coordinate spaziali; parit� di carica pari, che descrive come si comporta lo stato scambiando ogni particella con la propria antiparticella. Sono i valori attesi per il pi� leggero dei glueball previsti dalla teoria.
“� un trionfo sperimentale”, ha commentato a Science Colin Morningstar, fisico delle particelle alla Carnegie Mellon University che non ha partecipato al lavoro. “� la prova pi� forte finora che in natura possano esistere particelle dominate da una componente di glueball”.
Un glueball puro, del resto, difficilmente si osserver� mai: il vuoto quantistico produce di continuo coppie quark-antiquark, e anche nelle collisioni pi� violente nella mischia finisce quasi sempre qualche quark. Sempre su Science, William Detmold, fisico nucleare del Massachusetts Institute of Technology, osserva che nessuno stato pu� dirsi puramente gluonico, ma pu� essere dominato dalla struttura gluonica; ricorda che la storia della caccia ai glueball � lunga e in gran parte inconcludente, e che questo risultato “spunta tutte le caselle”. Quello che si pu� ragionevolmente cercare � uno stato in cui i gluoni siano largamente prevalenti e il comportamento sia quello previsto dal Modello Standard. � il motivo per cui una stima del 90% basta a chiamarlo successo.
Serve una controprova indipendente
La conferma dovr� arrivare da altri gruppi, e qui il calendario si allunga parecchio. Non � una formalit� burocratica: una misura di questo tipo dipende dal modo in cui uno specifico apparato ricostruisce gli eventi e dalle assunzioni della catena di analisi, e un errore sistematico che nasca l� dentro non emerge rianalizzando gli stessi dati con lo stesso metodo. Serve un’altra macchina. Secondo Jin, per�, BES III � oggi l’unica al mondo dedicata alla ricerca dei glueball; le alternative indicate dai fisici sono la Super Tau-Charm Facility, proposta in Cina, e l’Electron-Ion Collider in costruzione al Brookhaven National Laboratory, negli Stati Uniti. Nessuna delle due � operativa, quindi la verifica indipendente potrebbe richiedere anni.
Sul piano pratico non cambia nulla: X(2370) sopravvive per un istante e non si trova fuori da un acceleratore, e il risultato conferma quello che la teoria prevedeva gi�. Il valore sta altrove. La forza forte � l’unica delle interazioni fondamentali che non si lascia trattare con i metodi approssimativi usati per le altre, e quasi tutto ci� che sappiamo calcolare in quel regime passa dalla QCD su reticolo. Trovare in laboratorio un oggetto che il reticolo aveva descritto in anticipo, con la massa nel punto giusto, i numeri quantici giusti e nessuna firma di sapore, � una verifica dello strumento di calcolo, non soltanto della singola previsione. E lo stesso strumento serve poi a interpretare le misure di precisione al LHC e a spiegare da dove venga la massa della materia ordinaria. Il preprint � depositato su arXiv con DOI 10.48550/arXiv.2607.20366.
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