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FÍSICA

Los cuarks y sus combinaciones exóticas

Partículas recientemente descubiertas revelan nuevos ordenamientos posibles para los principales componentes de la materia

El acelerador de partículas Tevatron, en Batavia, Estados Unidos: el más poderoso antes del LHC

FERMILAB VISUAL MEDIA SERVICES El acelerador de partículas Tevatron, en Batavia, Estados Unidos: el más poderoso antes del LHCFERMILAB VISUAL MEDIA SERVICES

El 25 de febrero, físicos del consorcio internacional DZero anunciaron el descubrimiento de una nueva partícula subatómica: la denominada X(5568). Esta nueva partícula no es elemental ‒o sea, indivisible‒ tal como el electrón, el fotón o el bosón de Higgs. En lugar de ello, la X(5568) está compuesta por cuatro partículas menores de un tipo conocido: los cuarks, razón por la cual se la clasificó como tetracuark.

La novedad que ofrece dicha partícula reside en la inusual combinación de sus cuatro cuarks. Este raro tipo de partícula ‒las más comunes están conformadas por dos o tres cuarks‒ está siendo estudiada desde 2003. Pero la X(5568) es el primer tetracuark formado por tipos totalmente distintos. La comprobación de todas las maneras posibles en que pueden combinarse los cuarks, propicia para los físicos una mayor comprensión de la denominada interacción nuclear fuerte. Ella es la fuerza fundamental que mantiene a los cuarks unidos y origina la mayor parte de la masa y de la energía de los protones y neutrones que constituyen los núcleos atómicos.

Los científicos notaron indicios de la existencia del nuevo tetracuark al analizar los datos recabados durante nueve años por el detector de partículas DZero, uno de los instrumentos con los que está equipado el acelerador Tevatron en el Laboratorio Nacional Fermi (Fermilab), en Estados Unidos. El acelerador se desactivó en 2011, tres años después de que perdiera el título de acelerador de partículas más energético del mundo, frente al Gran Colisionador de Hadrones (LHC), de la Comisión Europea para la Investigación Nuclear (Cern), en Suiza. El consorcio DZero cuenta con la participación de investigadores de siete instituciones de investigación brasileñas, entre las que figura el Centro Brasileño de Investigaciones Físicas (CBPF), en Río de Janeiro.

060-063_Pentaquark_1El anuncio de este hallazgo impulsó otras colaboraciones internacionales de físicos que emprendieron la búsqueda de evidencias de la existencia de la X(5568) entre sus datos. Hasta el cierre de la presente edición, tan sólo el grupo que gestiona el experimento LHCb, uno de los cuatro detectores de partículas del LHC, había anunciado el resultado de sus análisis. “Buscamos indicios del tetracuark detectado por el DZero y no hallamos nada”, dice Ignácio Bediaga, coordinador de los físicos del CBPF que colaboraron con el LHCb. “No obstante, el resultado obtenido por el DZero es muy bueno, y su análisis resulta bastante consistente”, subraya. “Me parece que nos encontramos ante un nuevo fenómeno”.

Bediaga explica que el equipo del LHCb rastreó señales de la existencia de la partícula X(5568) entre sus datos sobre el origen de las partículas denominadas mesón B y mesón π, cada una integrada por dos cuarks. Los dispositivos como el LHC, generalmente aceleran partículas constituidas por muchos cuarks, como en el caso de los protones, hasta velocidades cercanas a la de la luz. Cuando colisionan, los protones se desintegran originando partículas huidizas de todas las especies posibles, algunas formadas por cuarks. Una de ellas podría ser la X(5568), una partícula con un tiempo de vida extremadamente fugaz, que en una fracción de segundo se dividiría en dos tipos de partícula con masa menor. Cada X85568) podría originar un mesón B y un mesón π, ambos con valores energéticos bastante específicos. Los físicos notarían, entonces, un exceso de mesones B y π con esa energía, algo que el DZero pudo observar y el LHC no.

Con todo, existe una diferencia estructural importante entre los dos detectores que podría estar permitiendo al tetracuark escapar del LHCb, explica Bediaga. El LHCb se construyó para detectar las partículas que surgen en cercanías de la dirección de propagación de los haces de protones que colisionan. En tanto, el DZero era un detector similar al CMS y al Atlas, otros dos detectores del LHC. Esos detectores presentan un formato similar a un barril y fueron proyectados para captar las partículas que surgen en todas direcciones alrededor del haz. Es posible que la X(5568) esté surgiendo en las colisiones del LHC, pero solamente realice trayectorias fuera del alcance del LHCb.

“Si el CMS o el Atlas logran detectar la X(5568), nos enfrentaremos a un rompecabezas muy interesante”, dice Bediaga. “Si no la registran podría ser que el análisis del DZero tuviera algún problema que pasó desapercibido”.

060-063_Pentaquark_2Dinámicas de colores
“Cuando solamente en una colaboración experimental se detecta un nuevo tetracuark, quedamos un paso atrás”, dice la física teórica Marina Nielsen, de la Universidad de São Paulo (USP). Nielsen coordina un equipo que fue uno de los primeros en el mundo en realizar cálculos verificando que, en caso de que se lo pueda confirmar, la X(5568) que detectó el DZero también podría ser un tetracuark.

Nielsen y sus colegas Jorgivan Dias y Alberto Torres, de la USP, y Kanchan Khemchandani y Carina Zanetti, de la Universidad del Estado de Río de Janeiro, corrieron contrarreloj entre los días 25 y 29 de febrero para verificar si la masa y otras propiedades del nuevo tetracuark podrían explicarse mediante la interacción nuclear fuerte.

Los tetracuarks son partículas extremadamente raras, que comenzaron a observarse recién en los últimos años con el aumento de la energía de las colisiones de los aceleradores de partículas y el incremento de la sensibilidad de sus detectores. Su existencia había sido prevista en 1964 por los físicos teóricos George Zweig y Murray Gell-Mann, que fueron los primeros que concibieron la idea de que varias de las decenas de partículas detectadas en los aceleradores de aquella época, incluyendo a los protones y neutrones, estarían constituidos por dúos o tríos de cuarks. Las teorías de Zweig y Gell-Mann fueron comprobadas y perfeccionadas por varios físicos durante las décadas posteriores, dando origen a la cromodinámica cuántica, una teoría que también prevé la existencia de cuartetos y quintetos de cuarks (observe la infografía superior).

Recién a partir de 2003, los experimentos en diferentes aceleradores de partículas comprobaron la existencia de un tetracuark, el X(3872). Desde entonces, trabajos conjuntos internacionales han confirmado la observación de 15 posibles tetracuarks y, en el mes de julio del año pasado, el grupo que opera el experimento LHCb anunció el descubrimiento de dos pentacuarks: el Pc(4450) y el Pc(4380).

Incluso podrían existir otras partículas formadas por la combinación de un número mayor de cuarks y sus antipartículas, los anticuarks, siempre que sus secuencias se hallen en sintonía con las leyes de la cromodinámica cuántica. “Esta teoría permite que exista cualquier combinación formada por cuatro, cinco o más cuarks, siempre que una propiedad a la cual se denomina carga de color sea invariablemente neutra”, dice Nielsen.

Ella y sus colegas son expertos en un método matemático denominado “reglas de suma”, que permite la realización de cálculos cercanos a los propuestos por la cromodinámica cuántica. Este método resulta necesario porque la cromodinámica cuántica se basa en principios generales aparentemente simples, pero sus ecuaciones matemáticas se encuentran entre las más complejas de toda la física, siendo imposible resolverlas con exactitud, incluso con la ayuda de supercomputadoras.

Basándose en las reglas de suma, Nielsen y su grupo calcularon la masa y el resto de las propiedades observadas en la X(5568) y arribaron a la conclusión de que ellas pueden explicarse si la partícula estuviera compuesta por dos cuarks (up y bottom) y dos anticuarks (strange y down). Con todo, sus cálculos no descartan otra posibilidad. En lugar de conformar un verdadero tetracuark, la X(5568) podría interpretarse como dos mesones (cada uno conteniendo dos cuarks) unidos débilmente. Tal combinación, a la cual se la denomina molécula de mesones, constituye un modo alternativo de anulación de las cargas de color siendo, por lo tanto, algo permitido por la cromodinámica cuántica. Los colaboradores de Nielsen finalizarán en breve nuevos cálculos en los cuales asumen que la X(5568) es una molécula de mesones. Si los mismos arribaran a un valor de masa diferente al que midió el DZero, sabrán que la X(5568) no es una molécula de mesones. En tanto, si el valor calculado fuera próximo al medido, la duda subsistirá.

Proyecto
Física de hadrones (nº 2012/50984-4); Modalidad Proyecto Temático; Investigadora responsable Marina Nielsen (IF-USP); Inversión R$ 290.720,00

Artículos científicos
ABAZOV, V. M. et al. Observation of a new B0s π ± state. Physical Review Letters. En prensa.
DIAS, J. M. et al. A QCD sum rule calculation oftheX±(5568) → B0s π ± decay width. arxiv.org pdf/1603.02249v1.pdf.
ZANETTI, C. M.; NIELSEN, M. e KHEMCHANDANI, K. P. A QCD sum rule study for a charged bottom-strange scalar meson. arxiv.org/pdf/1602.09041.pdf.

 

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