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Un experimento del LHC descubre nuevas partículas formadas por cinco quarks

El experimento LHCb del gran colisionador de hadrones del CERN, en el que participan científicos españoles, ha detectado 'pentaquarks', una nueva clase de partículas constituidas por cinco quarks. Los investigadores han conseguido las primeras pruebas concluyentes de la existencia de estos estados de la materia.

Una de las posibles disposiciones de los cinco quarks en el nuevo estado ligado observado por el experimento LHCb. / CERN/LHCb Collaboration

El experimento LHCb del gran colisionador de hadrones (LHC) ha informado hoy del descubrimiento de una nueva clase de partículas conocidas como 'pentaquarks'. La colaboración internacional del experimento, en la que participan investigadores de la Universidad de Barcelona (UB), la Universidad Ramón Llull (URL), la Universidad de Santiago de Compostela (USC) y el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV), ha enviado un artículo informando de este hallazgo a la revista científica Physical Review Letters, y lo publica hoy en el repositorio digital arXiv.

"El pentaquark no es solo una nueva partícula", dice el portavoz de LHCb Guy Wilkinson, "supone un modo de agrupar los quarks, los constituyentes fundamentales de protones y neutrones, de una forma nunca vista en más de cincuenta años de búsquedas experimentales. Estudiar sus propiedades nos permitirá entender mejor cómo se forma la materia ordinaria, los protones y neutrones que nos componen".

Hasta ahora no se habían conseguido evidencias contundentes de la existencia de pentaquarks

Nuestro conocimiento de la estructura de la materia cambió radicalmente en 1964, cuando el físico estadounidense Murray Gell-Mann, propuso que el tipo de partículas conocidas como bariones, que incluye a protones y neutrones, está compuesto por tres objetos con carga eléctrica fraccionada llamados quarks, y que otro tipo, los mesones, están formados por pares de quarks y antiquarks. Gell-Mann ganó el Premio Nobel de Física por este trabajo en 1969.

No implica 'nueva física'

Este modelo de quarks permite la existencia de otros estados compuestos por quarks, como los pentaquarks, formados por cuatro quarks y un antiquark (su antipartícula). Sin embargo, hasta hoy no se habían obtenido evidencias contundentes de su existencia.

"El modelo de quarks, propuesto hace más de 50 años no excluye la posibilidad de que existan partículas formadas por más de tres quarks, pero estos llamados hadrones exóticos solo empezaron a dar muestras de su existencia hace pocos años", cuenta Juan Saborido, responsable del grupo de la Universidad de Santiago de Compostela participante en LHCb. Para el investigador español, el descubrimiento de estas nuevas partículas formadas por cinco quarks, "no implica física más allá del modelo estándar, pero es un hallazgo muy importante para el entendimiento de la estructura de los hadrones".

Para Eugeni Graugés, del grupo de la Universidad de Barcelona en LHCb, "este resultado es importante para la validación de modelos de cromodinámica cuántica, puesto que confirma la existencia de estados ligados cuyo contenido en quarks es de cinco. Como si un mesón (2 quarks) y un barión (3 quarks) pudieran formar un estado ligado. Un símil serían las moléculas formadas por distintos átomos".

"Aunque sabemos desde 1964 que existen partículas formadas por dos o tres quarks, nada en la naturaleza que rige sus interacciones, la llamada cromodinámica cuántica, limita a que sea así, lo que ha hecho que desde entonces se hayan realizado experimentos entre cuyos objetivos ha estado la búsqueda de partículas constituidas por otro tipo de agregados de quarks. Un esfuerzo que ha encontrado su recompensa en este hallazgo", remarca Fernando Martínez Vidal, investigador del Instituto de Física Corpuscular (IFIC) participante en LHCb.

Desintegración de un barión

Los investigadores de LHCb han buscado estados de pentaquarks examinando la desintegración de un barión, llamado Lambda b, en otras tres partículas: J-psi, un protón y un kaón con carga eléctrica. El estudio del espectro de masas de las dos primeras reveló la existencia de estados intermedios en su producción. Estos se han llamado Pc(4450)+ y Pc(4380)+, el primero claramente visible en forma de pico en los datos mientras que para el segundo se requiere analizar todos los datos del experimento, según se observa en la imagen adjunta.

Lo que diferencia a LHCb es que es capaz de buscar pentaquarks con diferentes técnicas

"Gracias a la gran cantidad de datos proporcionada por el LHC y a la excelente precisión de nuestro detector, hemos examinado todas las posibilidades del origen de estas señales y concluimos que solo se pueden explicar por estados de pentaquark", declara el físico de LHCb Tomasz Skwarnicki, de la Universidad de Siracusa (EE.UU.). "Para ser precisos, los estados deben estar formados por dos quark up (arriba), un quark down (abajo), un quark charm (encanto) y su antipartícula, un anti-charm".

Otros experimentos anteriores que han buscado pentaquarks no arrojaron resultados concluyentes. Lo que diferencia a LHCb es que es capaz de buscar pentaquarks con diferentes técnicas, aunque todas apuntan a la misma conclusión. El siguiente paso será estudiar cómo los quarks se mantienen unidos en los pentaquarks.

"Los quarks podrían estar unidos fuertemente", explica el físico de LHCb Liming Zhang, de la Universidad de Tsinghua (China), "o podrían estar unidos más débilmente, en una especie de molécula de mesón-barión en la cual ambos experimentan una fuerza fuerte residual parecida a la que mantiene unidos a protones y neutrones para formar el núcleo".

Se necesitarán más estudios para distinguir entre ambas posibilidades, y para ver qué más nos pueden enseñar los pentaquarks. Los datos que recopilará el LHCb en el Run 2 del LHC recién iniciado permitirán hacer progresos en este sentido.

Fuente: CPAN
Derechos: Creative Commons
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