Un experiment del gran col·lisionador dʼhadrons en què participa la UB observa noves partícules formades per cinc quarks
L'experiment LHCb del gran col·lisionador d'hadrons (LHC), situat a la seu de l'Organització Europea per a la Recerca Nuclear (CERN), a (Suïssa), ha informat del descobriment d'una nova classe de partícules conegudes com a pentaquarks. La col·laboració internacional de l'experiment, en la qual participen investigadors de la UB, la Universitat Ramon Llull, la Universitat de Santiago de Compostel·la (USC) i l'Institut de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV), ha enviat un article informant d'aquesta troballa a la revista científica Physical Review Letters, que l'ha publicat en el repositori digital arXiv.
L'experiment LHCb del gran col·lisionador d'hadrons (LHC), situat a la seu de l'Organització Europea per a la Recerca Nuclear (CERN), a (Suïssa), ha informat del descobriment d'una nova classe de partícules conegudes com a pentaquarks. La col·laboració internacional de l'experiment, en la qual participen investigadors de la UB, la Universitat Ramon Llull, la Universitat de Santiago de Compostel·la (USC) i l'Institut de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV), ha enviat un article informant d'aquesta troballa a la revista científica Physical Review Letters, que l'ha publicat en el repositori digital arXiv.
El nostre coneixement de l'estructura de la matèria va canviar radicalment el 1964, quan el físic nord-americà Murray Gell-Mann va proposar que el tipus de partícules conegudes com a barions —que inclou protons i neutrons— està compost per tres objectes amb càrrega elèctrica fraccionada anomenats quarks; mentre que un altre tipus, els mesons, estan formats per un quark i un antiquark. Gell-Mann va guanyar el Premi Nobel de Física per aquest treball el 1969.
Aquest model de quarks permet l'existència d'altres estats compostos per quarks, com ara els pentaquarks, formats per quatre quarks i un antiquark (la seva antipartícula). No obstant això, fins avui no s'havien obtingut evidències contundents que els pentaquarks existissin.
Juan Saborido, responsable del grup de la USC que participa en l'LHCb, explica que «el model de quarks proposat fa més de cinquanta anys no exclou la possibilitat que existeixin partícules formades per més de tres quarks; però aquests hadrons exòtics, com se'ls anomena, només van començar a donar mostres de la seva existència fa pocs anys». Per aquest investigador, el descobriment d'aquestes noves partícules formades per cinc quarks «no implica una física més enllà del model estàndard, però és una troballa molt important per entendre l'estructura dels hadrons».
Per Eugeni Graugés, del grup de la UB implicat en l'experiment LHCb, «aquest resultat és important per validar models de cromodinàmica quàntica (QCD), ja que confirma l'existència d'estats lligats el contingut dels quals en quarks és de cinc». I aclareix: «Com si un mesó (dos quarks) i un barió (tres quarks) poguessin formar un estat lligat. Un símil serien les molècules formades per diferents àtoms».
Per la seva banda, Fernando Martínez Vidal, investigador de l'IFIC a l'LHCb, subratlla: «Encara que sabem des del 1964 que existeixen partícules constituïdes per dos o tres quarks, res en la naturalesa que regeix les seves interaccions, l'anomenada cromodinàmica quàntica, obliga que sigui així, la qual cosa ha fet que des de llavors s'hagin fet experiments amb l'objectiu de buscar partícules que responguin a un altre tipus d'agregats de quarks. Un esforç que ha trobat la recompensa en aquesta troballa».
Els investigadors de l'LHCb han buscat estats de pentaquarks examinant la desintegració d'un barió anomenat Lambda b en tres partícules: un mesó J-psi, un protó i un kaó amb càrrega elèctrica. L'estudi de l'espectre de masses de les dues primeres va revelar l'existència d'estats intermedis en la seva producció. Aquests s'han anomenat Pc(4450)+ i Pc(4380)+, el primer clarament visible en forma de bec en les dades, mentre que per al segon es requereix analitzar totes les dades de l'experiment.
«Gràcies a la gran quantitat de dades proporcionada per l'LHC i a l'excel·lent precisió del nostre detector, hem examinat totes les possibilitats de l'origen d'aquests senyals, i concloem que solament es poden explicar per estats de pentaquark», ha declarat el físic de l'LHCb Tomasz Skwarnicki, de la Universitat de Siracusa (EUA). «Per ser precisos —afegeix l'expert—, els estats han d'estar formats per dos quark u, un quark d, un quark c i la seva antipartícula, un antiquark c».
Altres experiments que han buscat pentaquarks amb anterioritat no havien donat resultats concloents. El que diferencia l'LHCb és que és capaç de buscar pentaquarks amb diferents tècniques, encara que totes apunten a la mateixa conclusió. El pas següent serà estudiar com els quarks es mantenen units en els pentaquarks: «Els quarks podrien estar units de manera més forta —explica el físic de l'LHCb Liming Zhang, de la Universitat de Tsinghua (Xina)—, o podrien estar units més feblement, en una espècie de molècula de mesó-barió en la qual tots dos experimenten una força forta residual semblant a la que manté units protons i neutrons per formar el nucli».
Es necessitaran més estudis per distingir entre les dues possibilitats, i per veure què més ens poden ensenyar els pentaquarks. Les dades que recopilarà l'LHCb en l'etapa del gran col·lisionador d'hadrons iniciada recentment permetran fer progressos en aquest sentit.