La colaboración del experimento LHCb ha observado un tipo de partícula compuesto
por cuatro quarks nunca antes visto. El descubrimiento, presentado en un reciente
seminario en el CERN, el mayor laboratorio de física de partículas del mundo, y
descrito en un artículo publicado ayer, miércoles 1 de julio, en el servidor arXiv, es
probable que sea el primero de una clase de partículas previamente no descubierta. El
hallazgo ayudará a los físicos a entender mejor las formas complejas en las que los
quarks se agrupan formando partículas compuestas como los protones y neutrones
que se hallan en el núcleo del átomo.
Los quarks se combinan entre sí en grupos de dos o tres para formar las partículas
llamadas ‘hadrones’. Durante décadas, sin embargo, la física teórica predijo la
existencia de hadrones formados por cuatro y por cinco quarks, descritos como
tetraquarks y pentaquarks. En los últimos años, varios experimentos como el LHCb han
confirmado la existencia de varios de estos hadrones exóticos. Estas partículas hechas
de combinaciones inusuales de quarks son un ‘laboratorio’ perfecto para estudiar una
de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, la fuerza fuerte que mantiene
unidos a protones y neutrones en el núcleo atómico que forma la materia. Conocer
mejor esta interacción es también esencial para determinar si un proceso nuevo,
inesperado, es una señal de nueva física o solo física estándar.
“Las partículas formadas por cuatro quarks son de por sí exóticas, pero la que
acabamos de descubrir es la primera formada por cuatro quarks pesados del mismo
tipo, concretamente dos quarks charm y dos antiquarks charm”, explica Giovanni
Passaleva, actual portavoz de la colaboración LHCb. “Hasta ahora, el LHCb y otros
experimentos solo habían observado tetraquarks con dos quarks pesados como
mucho, y ninguno con más de dos quarks del mismo tipo”, indica Passaleva.
“Estas partículas pesadas exóticas proporcionan casos extremos y teóricamente
bastante simples con los que probar modelos que luego se pueden utilizar para
explicar la naturaleza de las partículas de materia ordinaria, como protones o
neutrones. Por lo tanto, es muy emocionante verlos aparecer en colisiones en el LHC
por primera vez”, explica el próximo portavoz del LHCb, Chris Parkes.
El equipo del LHCb encontró el nuevo tetraquark gracias al uso de la técnica de buscar
un exceso en las colisiones, conocido como bump, sobre el fondo de eventos. Oculto
en los datos del primer y segundo ciclo de funcionamiento (run) del Gran Colisionador
de Hadrones (LHC), entre los años 2009-2013 y 2015-2018, respectivamente, los
investigadores detectaron un exceso (bump) en la distribución de masa de pares de
partículas J/ψ, que consisten en un quark charm y un antiquark charm. Este exceso
tiene una significación estadística de más de cinco sigma, el umbral a partir del cual se
considera un descubrimiento de una nueva partícula, y corresponde a una masa
acorde con la predicha para partículas compuestas por cuatro quarks.
Al igual que con anteriores descubrimientos de tetraquarks, no está completamente
claro si la nueva partícula es un verdadero tetraquark, esto es, un sistema de cuatro
quarks estrechamente ligados entre sí, o un par de dos partículas formadas por dos
quarks ligadas débilmente, como la estructura de una molécula. En cualquier caso, el
nuevo tetraquark ayudará a los físicos teóricos a probar modelos de cromodinámica
cuántica (QCD), la teoría de la fuerza fuerte.
Para Fernando Martínez Vidal, catedrático de la Universitat de València e investigador
del Instituto de Física Corpuscular en el experimento LHCb, “la explicación más
plausible del nuevo estado encontrado, que llamamos X(6900), es que sea un
tetraquark con dos quarks y dos antiquarks, todos charm. Eso es precisamente lo que
lo hace particular ya que sería el primero que pertenecería a las dos categorías, quarkantiquark y quark-quark”.
“Podría ser también un objeto compacto en el que los cuatro quarks están
interaccionando directamente, mientras en el caso del resto de tetraquarks y
pentaquarks sigue la cuestión abierta sobre si en realidad son estados moleculares.
Interpretarlo y entender bien su naturaleza necesitará más estudios y datos, pero el
pico de señal y su signatura en la región de alto momento transverso son claros”,
explica Martínez Vidal, que forma parte del comité de publicaciones de la colaboración
LHCb.
Más información:
https://lhcb-public.web.cern.ch/
Observation of structure in the J/ψ-pair mass spectrum, LHCb Collaboration,
arXiv:2006.16957 [hep-ex]
LHCb discovers a new type of tetraquark at CERN
