12 de Agosto de 2021
Física de partículas

El LHC descubre una partícula exótica formada por cuatro quarks

El nuevo tetraquark parece ser cualitativamente distinto de los hallados hasta ahora. El hito podría ayudar a los físicos a poner a prueba la teoría de la interacción nuclear fuerte.

Imán dipolar del experimento LHCb, uno de los cuatro detectores del Gran Colisionador de Hadrones del CERN. [Peter Ginter/CERN]

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es también es un gran descubridor de hadrones. El acelerador situado en las inmediaciones de Ginebra es célebre por haber descubierto en 2012 el bosón de Higgs, la última pieza que faltaba por encontrar en la clasificación vigente de las partículas elementales. Sin embargo, el LHC también ha descubierto decenas de hadrones: partículas no elementales que, como los protones y los neutrones, están formadas por quarks.

El último de estos hadrones acaba de ser presentado en una conferencia virtual de la Sociedad Europea de Física. En una charla impartida el pasado 29 de julio, Ivan Polyakov, físico de partículas de la Universidad de Siracusa, hizo público el hallazgo de un hadrón exótico formado por cuatro quarks. Según el minucioso censo que mantiene Patrick Koppenburg, físico de partículas del Instituto Nacional de Física Subatómica de los Países Bajos, el hito eleva a 62 el número de hadrones descubiertos por el LHC. «Todos ellos son primicias mundiales», afirma Koppenburg, quien también trabaja en el CERN, el laboratorio europeo de física de partículas que alberga el LHC.

El modelo estándar de la física de partículas describe los componentes básicos de la materia y las interacciones que median entre ellos. Incluye seis tipos de quarks y sus correspondientes homólogos de antimateria, así como otras partículas elementales, como electrones y fotones. La teoría también incorpora las reglas que dictan la manera en que los quarks pueden combinarse entre sí para dar lugar a hadrones. En estos, los quarks se mantienen unidos gracias a la interacción nuclear fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Los dos tipos de quarks más comunes en la naturaleza son los denominados arriba (up) y abajo (down). Sus posibles combinaciones incluyen el protón (formado por dos quarks arriba y uno abajo) y el neutrón (dos quarks abajo y uno arriba).

Los protones son los únicos hadrones conocidos que son estables cuando se encuentran aislados (los neutrones solo lo son cuando forman parte de un núcleo atómico, pero aislados se desintegran en unos 15 minutos). Todos los demás hadrones se forman fugazmente en colisiones de partículas de alta energía y se desintegran después en brevísimas fracciones de segundo. En el LHC, los hadrones se crean al hacer colisionar protones a velocidades muy próximas a la de la luz.

Un genuino cuarteto de quarks

La mayoría de los nuevos hadrones descubiertos en el LHC han sido identificados por el experimento LHCb, uno de los cuatro gigantescos detectores que jalonan el anillo circular que alberga el LHC, de 27 kilómetros de longitud. La partícula anunciada ahora no ha sido una excepción. Al examinar los datos del detector LHCb, Polyakov y Vanya Belyaev, del Instituto de Física Teórica y Experimental de Moscú, identificaron claramente la huella de un tetraquark (el nombre que reciben los hadrones formados por cuatro quarks) denominado TCC+.

Los tetraquarks son muy inusuales, ya que la mayoría de los hadrones conocidos están formados por dos o por tres quarks. Los indicios del primer tetraquark fueron hallados en 2003 en el experimento Belle, de la Organización para la Investigación en Física de Altas Energías con Aceleradores (KEK) de Japón. Por su parte, el detector LHCb ha encontrado varios más desde su puesta en marcha.

No obstante, el tetraquark descubierto ahora parece ser especial. Los hallados con anterioridad probablemente puedan interpretarse como uniones de dos parejas ordinarias de quarks, de manera similar a como dos átomos pueden unirse para formar una molécula. Pero, según explica Marek Karliner, físico teórico de la Universidad de Tel Aviv, este último parece ser un genuino estado ligado de cuatro quarks: «Es muy importante. Se trata de una nueva bestia, no de una molécula hadrónica. Es el primero de su clase». En 2017, un trabajo de Karliner predijo la existencia de una partícula con las mismas propiedades que TCC+.

Belyaev explica que, en la naturaleza, los tetraquarks probablemente solo existieron durante los primeros instantes del universo, cuando la temperatura y la densidad de materia y energía alcanzaron valores extremos. Pero crearlos de nuevo es importante, ya que ello permite a los físicos poner a prueba la compleja teoría que describe las interacciones nucleares fuertes.

Los datos analizados ahora han revelado las propiedades de la nueva partícula con tanta precisión que, en un principio, Belyaev se quedó atónito. «Mi primera reacción fue pensar que se trataba de un error mío», rememora. Por ejemplo, la masa de la partícula (unas cuatro veces la del protón), fue determinada con un margen de error unas 3000 veces menor que en el descubrimiento del bosón de Higgs. Belyaev añade que, en realidad, el hadrón TCC+ podía haberse identificado en los datos procedentes de los primeros años de operaciones del LHC. Sin embargo, ni él ni sus colegas de profesión lo habían encontrado hasta ahora debido a la larga lista de posibles partículas que debían examinar.

Una miríada de hadrones aún por descubrir

La búsqueda de nuevos hadrones continuará, ya que las combinaciones posibles de quarks se cuentan por decenas. Con respecto a las múltiples posibilidades predichas por la teoría que aún esperan verse confirmadas por el experimento, Karliner afirma: «Estamos seguros de que existen, pero resultan difíciles de crear».

Además, para una combinación de quarks dada, existe un gran número de estados excitados más masivos y con distintos números cuánticos, los cuales se clasifican como partículas independientes. Muchos de ellos se han encontrado ya en los experimentos y, de hecho, la mayoría de los hadrones listados en el catálogo de Koppenburg corresponden a estados excitados. «Quién sabe cuántos más están escondidos entre los datos de algún ordenador portátil», añade Koppenburg, quien, al igual que Polyakov y Belyaev, es miembro de la colaboración LHCb.

El físico también se pregunta si todos estos hallazgos deberían ser tratados como genuinas partículas individuales. «Cada vez estoy más convencido de que necesitamos una mejor definición de qué es una partícula», concluye.

Davide Castelvecchi

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Resarch Group.

Referencia: «Recent LHCb results on exotic meson candidates»; presentación de Ivan Polyakov en la Conferencia de Física de Altas Energías de la Sociedad Europea de Física 2021, 29 de julio de 2021.

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