A poco de comenzar a circular noticias de que el CERN estaba activando el Gran Colisionador de Hadrones por primera vez en tres años para alcanzar niveles de energía sin precedentes, los científicos han anunciado que observaron tres nuevas partículas «exóticas».
La colaboración internacional LHCb en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) ha observado tres partículas nunca antes vistas: un nuevo tipo de «pentaquark» y el primer par de «tetraquarks», que incluye un nuevo tipo de tetraquark.
Los hallazgos, presentados hoy en un seminario del CERN, agregan tres nuevos miembros exóticos a la creciente lista de nuevos hadrones encontrados en el LHC. Ayudarán a los físicos a comprender mejor cómo se unen los quarks en estas partículas compuestas.
Los quarks son partículas elementales y vienen en seis «sabores»: arriba, abajo, encantado, extraño, arriba y abajo. Por lo general, se combinan en grupos de dos y tres para formar hadrones, como los protones y los neutrones que forman los núcleos atómicos. Más raramente, empero, también pueden combinarse en partículas de cuatro y cinco quarks, o «tetraquarks» y «pentaquarks». Estos hadrones exóticos fueron predichos por los teóricos al mismo tiempo que los hadrones convencionales, hace unas seis décadas, pero solo recientemente —en los últimos 20 años— han sido observados por el LHCb y otros experimentos.
El túnel del LHC en el punto 1. Crédito: CERN.
La mayoría de los hadrones exóticos descubiertos en las últimas dos décadas son tetraquarks o pentaquarks que contienen un quark encantado y un antiquark encantado, siendo los dos o tres quarks restantes un quark arriba, abajo o extraño —o sus antiquarks—. Pero en los últimos dos años, LHCb ha descubierto diferentes tipos de hadrones exóticos.
Hace dos años, la colaboración descubrió un tetraquark compuesto por dos quarks encantados y dos antiquarks encantados, y dos tetraquarks encantados abiertos que consisten en un antiquark encantado, un quark arriba, un quark abajo y un antiquark extraño. Y el año pasado encontró la primera instancia de un tetraquark «doble encantado abierto», con dos quarks encantados y un antiquark arriba y abajo. («Encantado abierto» significa que la partícula contiene un quark encantado sin un antiquark equivalente).
Los descubrimientos anunciados hoy por la colaboración LHCb incluyen nuevos tipos de hadrones exóticos. El primer tipo, observado en un análisis de «desintegraciones» de mesones B cargados negativamente, es un pentaquark compuesto por un quark encantado y un antiquark encantado y un quark arriba, uno abajo, y un quark extraño. Es el primer pentaquark que contiene un quark extraño.
El nuevo pentaquark, ilustrado aquí como un par de hadrones estándar unidos libremente en una estructura similar a una molécula. Crédito: CERN.
El hallazgo tiene una enorme significación estadística de 15 desviaciones estándar, mucho más allá de las 5 desviaciones estándar que se requieren para reclamar la observación de una partícula en la física de partículas.
El segundo tipo es un tetraquark doblemente cargado eléctricamente. Es un tetraquark encantado abierto compuesto por un quark encantado, un antiquark extraño, un quark arriba y un antiquark abajo, y se detectó junto con su contraparte neutra en un análisis conjunto de desintegraciones de mesones B neutrales y cargados positivamente.
Los nuevos tetraquarks, observados con una significación estadística de 6,5 (partículas doblemente cargadas) y 8 (partículas neutras) desviaciones estándar, representan la primera vez que se observa un par de tetraquarks.
Los dos nuevos tetraquarks, ilustrados aquí como unidades individuales de quarks estrechamente unidos. Crédito: CERN.
«Cuantos más análisis realizamos, más tipos de hadrones exóticos encontramos», dice Niels Tuning, coordinador de física del LHCb. «Estamos presenciando un período de descubrimiento similar a la década de 1950, cuando comenzó a descubrirse un “zoológico de partículas” de hadrones y, en última instancia, condujo al modelo de quark de hadrones convencionales en la década de 1960. Estamos creando un “zoológico de partículas 2.0”».
«Encontrar nuevos tipos de tetraquarks y pentaquarks y medir sus propiedades ayudará a los teóricos a desarrollar un modelo unificado de hadrones exóticos, cuya naturaleza exacta se desconoce en gran medida», añade Chris Parkes, portavoz de LHCb. «También ayudará a comprender mejor los hadrones convencionales».
Mientras que algunos modelos teóricos describen los hadrones exóticos como unidades individuales de quarks fuertemente unidos, otros modelos los visualizan como pares de hadrones estándar débilmente unidos en una estructura similar a una molécula. Solo el tiempo y más estudios de hadrones exóticos dirán si estas partículas son una, la otra o ambas.
El Gran Colisionador de Hadrones descubre nuevas y extrañas partículas