La existencia de una nueva forma de la materia llamada tetraquark ha recibido mayor apoyo por un nuevo análisis de un experimento que desconcertó a los físicos de partículas en los últimos dos años

En el 2008, investigadores del experimento BELLE del laboratorio KEK, en Japón, observaron cómo se desintegraba un estado excitado del mesón “bottomonio”, y se sorprendieron al encontrar que un modo particular de desintegración era mucho más frecuente de lo esperado.

Hadrones permitidos por la QCD

Ahora, físicos de Alemania y Pakistán han propuesto una extraordinaria explicación: en vez de producir bottomonio el experimento ha creado una nueva partícula que contiene cuatro quarks. Si estos tetraquarks existen, esto daría lugar a un modelo de quarks ampliado de partículas exóticas. También daría a los físicos una mejor comprensión de la cromodinámica cuántica (QCD), la teoría en el Modelo Estándar de los quarks y de la fuerza nuclear fuerte que los une .

En la década de 1960, los físicos se dieron cuenta de que los hadrones —protones, neutrones, mesones, etc— se podían describir en términos de las partículas que los constituyen, llamadas quarks. Los mesones se forman por un estado ligado de un par quark-antiquark, mientras que los bariones (que incluyen a los protones y neutrones) están formados de tres quarks o tres antiquarks. El modelo de los quarks le valió a su pionero, Murray Gell-Mann, el premio Nobel de física en 1969, y ha predicho la existencia y propiedades de muchos hadrones diferentes.

Estados exóticos ligados

Sin embargo, la QCD permite la existencia de estados ligados éxoticos. Uno de ellos es el tetraquark, que consta de dos quarks y dos antiquarks. Durante décadas, la existencia de tetraquarks ha despertado la curiosidad de los físicos de partículas, y en estos años los experimentos han adquirido suficiente sensibilidad como para ver indicios de ellos.

Si existen los tetraquarks, hay una buena posibilidad de los observen los físicos que trabajan en los colisionadores electrón-positrón en KEK, en Japón, y SLAC, en California. Ambas instalaciones se pueden ajustar para producir estados excitados de mesones «quarkonios pesados», como el bottomonio, formado de quarks bottom y anti-bottom. Tanto BELLE como BaBar, en el SLAC, están diseñados para medir la desintegración de estas partículas de vida corta y buscar pequeñas desviaciones de las predicciones teóricas. Hasta ahora, ambos experimentos han detectado varias anomalías inconfundibles.

Resultados decsoncertantes con el bottomonio

En el 2008, los físicos de BELLE estaban estudiando la desintegración del estado Y(5S) altamente excitado del bottomonio. De acuerdo con la QCD, un estado excitado de Y raramente se desintegra en uno de sus estados menos excitados y un par de mesosnes pi cargados (piones). Sin embargo, cuando BELLE midió este canal de desintegración para el Y(5S), las tasas observadas fueron varios órdenes de magnitud mayores de lo que se experaba.

¿Este es el mesón tetraquark visto en Belle?

Una posible explicación es que las colisiones electrón-positrón ajustadas para formar Y(5S) pueden haber producido una partícula totalmente diferente: un mesón tetraquark Yb(10890). Ahmed Ali y Christian Hambrock de la colaboración DESY, y Jamil Aslam, de la universidad Quaid-i-Azam en Pakistán, han estado investigando esta hipótesis.

Ali explica por qué tiene sentido: “Si asumimos que existen tetraquarks, podemos considerar qué masas son posibles, y cómo se desintegran. Encontramos que Yb(10890), un mesón tetraquark formado de un diquark up (par quark-antiquark) y un diquark bottom, está muy cerca de la masa de Y(5S). Se puede desintegrar en un Y(2S) y un par de piones de diferentes formas, y si calculamos éstas podemos reproducir los datos”.

Aunque no es concluyente, esto refuerza aún más la posibilidad de que existen los tetraquarks. “Si resulta cierto”, dice Ali, “esta es una nueva forma de materia.”

¿Misterio resuelto?

¿Está el misterio resuelto, entonces? Aún no, según Hambrock, que explica: “Esta es una indicación, pero no una prueba. A partir de este único resultado no podemos estar seguros de que los dos diquarks verdaderamente están en un estado ligado”. También existen otras ideas acerca de qué podría estar causando el aumento de tasas, señala Tom Browder como co-portavoz de BELLE, en la universidad de Hawai. “Quizás otros mecanismos en la interacción de Y(5S) podrían explicar estos resultados. Somos físicos experimentales y tenemos que mantener la mente abierta”.

Si la causa de la anomalía es Yb(10890), hay otra pista que espera su descubrimiento, según Ali. “Si estamos acertados, en realidad debería haber una combinación de dos tetraquarks apenas distinguibles, el otro formado por un diquark down y un diquark bottom, con masas prácticamente iguales”, explicó. Con una breve toma de datos fijada para mayo de este año, los físicos de BELLE tratarán de deducir si la predicción de Ali es correcta.

La investigación se describe en Phys. Rev. Lett. 104 162001.

Fuente: Physics World. Aportado por Eduardo J. Carletti

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