El experimento LHCb del gran colisionador de hadrones del CERN, en el que participan científicos españoles, ha detectado ‘pentaquarks‘, una nueva clase de partículas constituidas por cinco quarks. Los investigadores han conseguido las primeras pruebas concluyentes de la existencia de estos estados de la materia

El experimento LHCb del gran colisionador de hadrones (LHC) 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 publica hoy en el repositorio digital arXiv.

"El pentaquark no es solo una nueva partícula", dice el portavoz de LHCb Guy Wilkinson, "supone un modo de agrupar los quarks, los constituyentes fundamentales de protones y neutrones, de una forma nunca vista en más de cincuenta años de búsquedas experimentales. Estudiar sus propiedades nos permitirá entender mejor cómo se forma la materia ordinaria, los protones y neutrones que nos componen".

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, y que otro tipo, los mesones, están formados por pares de quarks y antiquarks. Gell-Mann ganó el Premio Nobel de Física por este trabajo en 1969.

No implica «nueva física»

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.

"El modelo de quarks, propuesto hace más de 50 años no excluye la posibilidad de que existan partículas formadas por más de tres quarks, pero estos llamados hadrones exóticos solo empezaron a dar muestras de su existencia hace pocos años", cuenta Juan Saborido, responsable del grupo de la Universidad de Santiago de Compostela participante en LHCb. Para el investigador español, el descubrimiento de estas nuevas partículas formadas por cinco quarks, "no implica 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 Universidad de Barcelona en LHCb, "este resultado es importante para la validación de modelos de cromodinámica cuántica, puesto que confirma la existencia de estados ligados cuyo contenido en quarks es de cinco. Como si un mesón (2 quarks) y un barión (3 quarks) pudieran formar un estado ligado. Un símil serían las moléculas formadas por distintos átomos".

"Aunque sabemos desde 1964 que existen partículas formadas por dos o tres quarks, nada en la naturaleza que rige sus interacciones, la llamada cromodinámica cuántica, limita a que sea así, lo que ha hecho que desde entonces se hayan realizado experimentos entre cuyos objetivos ha estado la búsqueda de partículas constituidas por otro tipo de agregados de quarks. Un esfuerzo que ha encontrado su recompensa en este hallazgo", remarca Fernando Martínez Vidal, investigador del Instituto de Física Corpuscular (IFIC) participante en LHCb.

Desintegración de un barión

Los investigadores de LHCb han buscado estados de pentaquarks examinando la desintegración de un barión, llamado Lambda b, en otras tres partículas: 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 P_c(4450)⁺ y P_c(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, según se observa en la imagen adjunta.

"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", declara el físico de LHCb Tomasz Skwarnicki, de la Universidad de Siracusa (EE.UU.). "Para ser precisos, los estados deben estar formados por dos quark up (arriba), un quark down (abajo), un quark charm (encanto) y su antipartícula, un anti-charm".

Otros experimentos anteriores que han buscado pentaquarks no arrojaron resultados concluyentes. Lo que diferencia a 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 de 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 cual 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 el Run 2 del LHC recién iniciado permitirán hacer progresos en este sentido.

Fuente: Sinc. Aportado por Eduardo J. Carletti

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El Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) ha comenzado a proporcionar datos para la física por primera vez en 27 meses. Tras una parada técnica de casi dos años y varios meses de puesta en marcha, el LHC, conocido popularmente como la ‘máquina del Big Bang’, ha empezado el miércoles a proporcionar colisiones para todos sus experimentos a una energía sin precedentes de 13 teraelectronvoltios (TeV), casi el doble de la energía de colisión de su primer ciclo de funcionamiento

Esto marca el inicio del segundo ciclo de funcionamiento del LHC o Run 2, abriendo el camino a nuevos descubrimientos. El LHC funcionará de forma continua durante los próximos tres años. Doscientos científicos y técnicos de diez centros de investigación españoles participan en los experimentos del LHC.

Las primeras colisiones (el pasado 21 de mayo) se realizaron para poder comprobar los sistemas que protegen al propio acelerador, a los imanes y a los detectores de las partículas que se desvían del haz.

Era clave que los test de seguridad se realizaran al mismo tiempo que los haces de protones circulaban y colisionaban entre ellos, para poder verificar como funcionan en condiciones reales. Los técnicos declararon «haces estables», la señal que marcaba el inicio para comenzar a tomar datos.

Los haces están formados por cadenas de paquetes de protones que viajan casi a la velocidad de la luz alrededor de los 27 kilómetros del anillo del superacelerador. Las cadenas de paquetes circulan en direcciones opuestas, guiadas por potentes imanes superconductores. El LHC se ha llenado con 6 paquetes, cada uno con 100.000 millones de protones. Este número se incrementará progresivamente hasta los 2.808 paquetes por haz, permitiendo producir hasta mil millones de colisiones cada segundo.

En el Run 2 que comenzó la semana pasada, los físicos tienen la intención de profundizar en el Modelo Estándar, e incluso encontrar evidencias de nuevos fenómenos físicos más allá de sus límites que podrían explicar misterios como la materia oscura, que compone un cuarto del universo, o la aparente predilección de la naturaleza por la materia sobre la antimateria, sin la cual no existiríamos.

El acelerador más potente

El LHC es el acelerador mas potente del mundo, con imanes conductores que funcionan a modo de pilas, y su energía almacenada equivale a la de un portaaviones desplazándose a 43 kilómetros por hora o a la de un avión Airbus 380 volando a setecientos kilómetros.

El acelerador tiene la forma de un anillo de 27 kilómetros de circunferencia y se encuentra dentro de un túnel localizado a unos ochenta metros bajo tierra, entre Suiza y Francia. Para funcionar requiere estar a una temperatura de 217 grados centígrados bajo cero, más baja que la del espacio.

En 2012, el LHC permitió uno de los mayores descubrimientos realizado hasta la fecha en el mundo de la física: demostrar empíricamente la existencia del bosón de Higgs, lo que confirmó el Modelo Estándar en el que se basa la física de partículas.

Fuente: El Mundo. Aportado por Eduardo J. Carletti

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