El experimento del CERN detecta dos partículas diferentes de cinco quarks

El experimento del CERN detecta dos partículas diferentes de cinco quarks

Imanes LHCb en construcción.
Agrandar / Imanes LHCb en construcción.

En la juventud de la física de partículas, los investigadores comenzaron a descubrir una vertiginosa variedad de partículas cada vez más pesadas e inestables. Los quarks pusieron orden en este caos. El zoológico de partículas, así como los familiares protones y neutrones, se construyeron a partir de combinaciones de los seis quarks o sus antipartículas. El sistema explicó completamente el giro y la carga de estas partículas y ayudó a dar sentido a las partículas descubiertas a medida que los aceleradores alcanzaban energías aún más altas.

Todas las partículas que conocemos se construyeron utilizando dos o tres quarks. Pero nada en nuestras teorías impidió que conjuntos más grandes tuvieran incluso más quarks. Discovery, sin embargo, estaba muy por detrás de la propuesta inicial, que llegó en la década de 1970. Un murmullo de entusiasmo por una partícula de cinco quarks llegó y se apagó después de que los aceleradores de otros equipos no pudieran reproducir el resultado.

Sin embargo, hace apenas dos años, dos equipos diferentes anunciaron pruebas de una partícula de tetraquark, que tomó el nombre de Zc(3900). Y ahora, un experimento en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) ha revelado la presencia de un gigante de cinco quarks.

El experimento se llama LHCb y se centra en un número limitado de colisiones totales producidas por el LHC: aquellas que generan un quark bottom (o beauty), de ahí la “b” de su nombre. La física de estas partículas puede potencialmente informarnos sobre los límites del Modelo Estándar o sobre la asimetría entre la materia y la antimateria en el Universo. Por lo tanto, LHCb está especializado en examinar el comportamiento de las partículas que contienen quarks de fondo.

Los quarks nunca viajan solos por mucho tiempo, por lo que generalmente se producen como parte de una partícula más grande, que contiene uno o dos quarks adicionales. En este experimento en particular, el equipo del LHCb estaba interesado en los bariones Λ0b, que contienen un quark up, un quark down y un quark bottom. Estos se desintegran por un camino que pasa a través de un par de partículas inestables (J/ψ y K−). Los autores midieron este decaimiento en parte porque puede informarnos sobre la vida media de la partícula Λ0b madre.

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El problema era que estas desintegraciones mostraban un patrón inusual. En lugar de mostrar una curva suave a medida que aumentaba la energía, había un pico irregular. Esto sugirió que se favorecía la descomposición a través de ciertas partículas intermedias. Solo había un problema: ninguna partícula podía explicar por qué los picos estaban en los lugares donde se habían observado.

Los autores consiguieron una computadora para modelar lo que sucedería si la descomposición pasara por una partícula intermedia que llamaron Pc+. Esta partícula contiene dos quarks arriba y uno abajo, así como un encanto y un antiencanto, el pentaquark-charmonio, que puede existir en varios estados de energía posibles. Sorprendentemente, esto coincidió cuando había dos partículas diferentes de cinco quarks: una con una masa de 4449 megaelectronvoltios (casi cinco veces la masa de un protón) y otra de 4380 MeV. La importancia del partido fue superior a nueve sigma; solo se necesita cinco sigma para que los físicos anuncien un descubrimiento.

Algunas suposiciones necesitan ser verificadas. El modelo utilizado para identificar las partículas tuvo que simplificarse para reducir el número de parámetros libres, de lo contrario los cálculos habrían sido escandalosos. Esta simplificación consistió en ignorar aún más exótico posibilidades, por lo que probablemente sea razonable, pero puede esperar que los teóricos lo examinen cuidadosamente. Y es algo sorprendente que un solo escaneo revele dos miembros de una clase de partículas que previamente habían escapado a la detección. Sin embargo, los datos sugieren que cualquier cosa extraño debe suceder en estas desintegraciones.

(Por cierto, todos los datos provienen de ejecuciones anteriores del LHC, que finalizaron hace unos años. En estas colisiones se producen muchas desintegraciones diferentes, y generalmente se priorizan en función de factores como la facilidad de análisis y las expectativas. donde la física interesante ser. Pero incluso las cosas que no son prioridades inmediatas terminan siendo analizadas).

La nueva partícula puede ser un compuesto de dos partículas familiares (izquierda) o la primera de una clase de partículas de cinco quarks.Agrandar / La nueva partícula puede ser un compuesto de dos partículas familiares (izquierda) o la primera de una clase de partículas de cinco quarks.

Suponiendo que los resultados se mantengan, la partícula plantea la misma pregunta que surgió en respuesta al tetraquark: ¿cómo se organiza esto? Hay dos opciones como se muestra arriba. La primera es que se ensambla como partículas conocidas, con varios quarks interactuando a través de gluones. La alternativa es que sea un híbrido formado por dos partículas que ya conocemos. Pero debería mantenerse unido por una fuerza que no conocemos. De cualquier manera, hay una física particular que espera un análisis más detallado.

El arXiv. Número de resumen: 1507.03414 (Acerca de arXiv). Envia a Cartas de exploración física.

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