Un experimento del gran colisionador de hadrones en que participa la UB observa nuevas partículas formadas por cinco quarks
El experimento LHCb del gran colisionador de hadrones (LHC) ubicado en la sede del CERN (Suiza) 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 publicó ayer en el repositorio digital arXiv.
El experimento LHCb del gran colisionador de hadrones (LHC) ubicado en la sede del CERN (Suiza) 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 publicó ayer en el repositorio digital arXiv.
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; mientras que otro tipo, los mesones, están formados por un quark y un antiquark. Gell-Mann ganó el Premio Nobel de Física por este trabajo en 1969.
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.
Juan Saborido, responsable del grupo de la USC que participa en el LHCb, explica que «el modelo de quarks propuesto hace más de cincuenta años no excluye la posibilidad de que existan partículas formadas por más de tres quarks; pero estos hadrones exóticos, como se les llama, solo empezaron a dar muestras de su existencia hace pocos años». Para este investigador, el descubrimiento de estas nuevas partículas formadas por cinco quarks «no implica una 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 UB implicado en el LHCb, «este resultado es importante para validar modelos de cromodinámica cuántica (QCD), puesto que confirma la existencia de estados ligados cuyo contenido en quarks es de cinco». Y aclara: «Como si un mesón (dos quarks) y un barión (tres quarks) pudieran formar un estado ligado. Un símil serían las moléculas formadas por distintos átomos».
Por su parte, Fernando Martínez Vidal, investigador del IFIC en el LHCb, subraya: «Aunque sabemos desde 1964 que existen partículas constituidas por dos o tres quarks, nada en la naturaleza que rige sus interacciones, la llamada cromodinámica cuántica, obliga a que sea así, lo que ha hecho que desde entonces se hayan realizado experimentos entre cuyos objetivos ha estado la búsqueda de partículas que respondieran a otro tipo de agregados de quarks. Un esfuerzo que ha encontrado su recompensa en este hallazgo».
Los investigadores del LHCb han buscado estados de pentaquarks examinando la desintegración de un barión llamado Lambda b en otras tres partículas: un mesón 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.
«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», ha declarado el físico del LHCb Tomasz Skwarnicki, de la Universidad de Siracusa (EE. UU.). «Para ser precisos —añade el experto—, los estados deben estar formados por dos quark u, un quark d, un quark c y su antipartícula, un antiquark c».
Otros experimentos que han buscado pentaquarks con anterioridad no arrojaron resultados concluyentes. Lo que diferencia al 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 del 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 que 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 la etapa del gran colisionador de hadrones recién iniciada permitirán hacer progresos en este sentido.