Studio
del mesone scalare f0(980)
In questo lavoro pubblicato su Physics Letters
B 634 (2006) 148, viene studiata una particolare classe di
eventi raccolti con il rivelatore KLOE, costituiti ciascuno da 3 particelle
prodotte nel punto in cui il pacchetto di elettroni e quello di positroni
collidono. Due di queste particelle sono pioni carichi (un pione positivo
ed uno negativo) e il terzo è un fotone. La somma delle energie
di queste tre particelle è pari all'energia della collisione, 1020
MeV, e la somma vettoriale delle quantità di moto è pari
alla quantità di moto della collisione che è prossima a 0,
dato che gli elettroni e i positroni hanno la stessa energia, e le collisioni
sono in buona approssimazione "frontali". Lo studio di questo processo
consiste nel riconoscere gli eventi interessanti, nel selezionarli e nel
determinarne le caratteristiche cinematiche misurando le quantità
di moto di ciascuna particella. La variabile cinematica più rilevante
in questo caso è la cosiddetta "massa invariante" dei 2 pioni, che
si ottiene combinando opportunamente le quantità di moto dei 2 mesoni.
Il pregio di questa variabile è di non dipendere dal sistema di riferimento
nella quale viene misurata, e di dare dunque informazioni sulle caratteristiche
intrinseche del processo.
L'identificazione
degli eventi.
I 2
pioni carichi sono rivelati dalla camera a deriva in campo magnetico, dove
ciascuno dà luogo ad una sequenza di punti che formano un arco di
cerchio passante per il punto di collisione.
La ricostruzione individua i 2 archi di cerchio, ne determina le curvature
e, utilizzando la conoscenza del campo magnetico, calcola le quantità
di moto. Il fotone invece passa attraverso la camera senza lasciare alcuna
sequenza di punti e senza curvare, e viene assorbito nel calorimetro che
circonda la camera. Il calorimetro registra l'arrivo e l'assorbimento del
fotone, permettendo la sua identificazione e la misura della sua energia.
Eventi di questo tipo avvengono in media ogni 20 secondi circa, in normali
condizioni di operazione a DAFNE. Bisogna notare che, poichè KLOE
raccoglie complessivamente qualche migliaio di eventi al secondo, la selezione
di cui stiamo parlando deve essere in grado di individuare un evento interessante,
del tipo descritto, tra qualche decina di migliaia di eventi che non debbono
essere considerati ai fini di questo studio.
Analisi degli eventi
selezionati.
Una volta ottenuto il campione
con 2 pioni e un fotone, si cerca di capire quale sia l'origine degli eventi
selezionati. A questo punto interviene la teoria, che suggerisce l'esistenza
di 4 possibili modalità di produzione e determina, per ciascuna
di esse, la distribuzione degli eventi in termini di massa invariante dei
2 pioni. Tali previsioni consentono di costruire una procedura di
ottimizzazione dell'accordo tra teoria e dati sperimentali (denominata procedura
di "fit"), che aggiusta i parametri liberi della teoria in modo che la distribuzione
sperimentale di massa invariante sia riprodotta al meglio dalla somma delle
4 distribuzioni teoriche attese. Il risultato del fit chiarisce in primo
luogo se le previsioni teoriche sono in grado di descrivere correttamente
i dati, in secondo luogo fornisce la stima migliore dei parametri dettata
dalle osservazioni sperimentali.
Risultati.
Sono stati selezionati circa 700000 eventi. Con
i 4 contributi previsti si riesce ad ottenere un buon "fit" dei dati sperimentali,
che la teoria è quindi in grado di descrivere correttamente. Lo
studio di uno dei 4 contributi rappresenta la motivazione per cui si è
condotta quest'analisi, incentrata sulla scoperta delle proprietà
del mesone scalare f0(980). In effetti i 2 pioni possono
provenire dal decadimento dell'f0(980), se questo viene prodotto
insieme ad un fotone nella collisione elettrone-positrone e se, dopo
aver viaggiato per una distanza impercettibile, "decade" in 2 pioni, cioè
si trasforma in 2 pioni carichi, che complessivamente mantengono la sua
energia e la sua quantità di moto. Per capire se ciò accade
realmente, si usano le proprietà della massa invariante dei 2 pioni.
Se i 2 pioni sono effettivamente il prodotto del decadimento dell'f0(980),
la loro massa invariante dovrà essere quella della particella
stessa e cioè, dato che la massa invariante non dipende dal sistema
di riferimento, dovrà essere pari alla sua massa a riposo. Si dovrà
quindi trovare un "eccesso" di eventi per masse invarianti prossime alla
massa a riposo di quella particella. In altre parole, la distribuzione
delle masse invarianti del sistema π+π-
dovrà presentare un "picco" intorno a 980
MeV, che e' appunto la massa a riposo dell'f0(980). In
effetti il picco, piuttosto largo, è presente nelle distribuzioni
sperimentali ottenute. Va sottolineato che forma e larghezza di tale picco
forniscono informazioni di notevole rilievo sulle caratteristiche dell'f0(980).
In particolare, ci si aspetta che più è pronunciato il picco
e maggiore è l'affinità dell'f0(980) con il mesone
φ, e
dunque maggiore è la probabilità che l'f0(980) contenga
nella sua funzione d'onda il quark s ("strange''), dato che il mesone φ è uno stato formato da soli
quark s. Dal confronto con la teoria, si conclude che l'f0(980)
ha un alto contenuto di quark s. Si tratta di un indizio molto forte, sebbene
da solo non conclusivo, del fatto che l'f0(980) sia uno stato
a 4 quark, e non un normale stato quark-antiquark.
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