Observado, por primera vez, un pentaquark

Observado, por primera vez, un pentaquark

Publicado por el Jul 14, 2015

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Se trata de una nueva categoría de partículas predicha hace medio siglo y descubierta ahora por físicos del LHC.

El Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) acaba de anunciar un descubrimiento largamente esperado. Se trata de toda una nueva categoría de partículas fundamentales, los pentaquarks, cuya existencia fue predicha hace ya varias décadas pero que nadie había conseguido ver, hasta ahora, en un laboratorio. La observación de los pentaquarks se llevó a cabo en el LHCb, uno de los cuatro grandes experimentos del Gran Colisionador de Hadrones LHC. En el equipo, que ya ha enviado un artículo a Physical Review Letters, han participado investigadores de distintos centros españoles, como 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).

«El pentaquark no es una nueva partícula cualquiera –afirma en un comunicado Guy Wilkinson, portavoz del LHCb–. De hecho representa una forma de agrupar quarks, que son los constituyentes fundamentales de los protones y neutrones ordinarios, en un patrón que nunca se ha observado antes en más de cincuenta años de investigaciones experimentales. Estudiar sus propiedades puede llevarnos a entender mejor cómo la materia ordinaria, los protones y los neutrones de los que estamos hechos, está constituída».

Nuestra comprensión de la estructura de la materia sufrió una revolución en 1964, cuando el físico norteamericano Murray Gell-Mann propuso que cada partícula de la familia de los bariones (que incluye a protones y neutrones), está a su vez formada por otros tres objetos con carga eléctrica fraccionaria, los quarks, y que cada partícula de la otra gran categoría, los mesones, está a su vez formada por pares de quarks y antiquarks.

Otros estados de quarks

Debido a este trabajo, Gell-Mann fue galardonado con el Nobel de Física en 1969. Pero resulta que su modelo de quarks permite también la existencia de otros estados, también de quarks, diferentes a los que nos son familiares. Como por ejemplo los pentaquarks, que estarían compuestos por cuatro quarks y un antiquark. Hasta ahora, sin embargo, nadie había conseguido observar una de estas partículas, ni aportar evidencia sólida alguna sobre su existencia.

Algunos intentos de observación anteriores al del LHCb, como el llevado a cabo en el Jefferson Lab, en Estados Unidos, o en los aceleradores LEPS de la Universidad japonesa de Osaka en 2003 y 2009, o HERA en Alemania, terminaron en fracaso o con resultados que dejaban un margen razonable para la duda.

Una duda que ahora los físicos del LHCb han convertido en certeza. Para ello, los investigadores se centraron en examinar laspautas de desintegración de un barión conocido como Λb (Lambda b), que se divide en otras tres partículas, un J/ψ- (J-psi), un protón y un kaon. Estudiando el espectro de masas del J-psi y del protón, los físicos se dieron cuenta de que algunas veces, para su producción era necesario el paso por una serie de estados intermedios.

Dichos estados, llamados Pc(4450)+ y Pc(4380)+ resultaban imprescindibles para describir los datos en su totalidad. El primero de ellos, además, era claramente visible como un pronunciado pico en la gráfica de datos.

«Aprovechando la gran cantidad de datos proporcionados por el LHC y la excelente precisión de nuestro detector –asegura Tomasz Skwarnicki, de la Universidad de Syracusa– examinamos todas las posibilidades para estas señales, y concluimos que solo podían explicarse con la existencia de estados de pentaquarks. En concreto, los estados observados tienen que estar formados por dos quark «arriba», un quark «abajo», un quark «encanto» y un quark «anti encanto».

Desde todos los ángulos posibles

La diferencia entre el experimento del LHCb y los anteriores, que fueron poco concluyentes, es que en esta ocasión los instrumentos fueron capaces de buscar pentaquarks desde muchas perspectivas y técnicas al mismo tiempo. Y todas ellas apuntan hacia la misma conclusión. Se podría decir que mientras los intentos anteriores buscaban siluetas en la oscuridad, el LHCb llevó a cabo su búsqueda con las luces encendidas, y desde todos los ángulos posibles. Ahora, el siguiente paso será averiguar cómo los cinco quarks consiguen permanecer unidos para formar un pentaquark.

Para Liming Zhang, de la Universidad de Tsinghua, «los quarks podrían estar fuertemente unidos (dentro de un pentaquark) o muy debilmente ligados entre sí, en una especie de molécula mesón-barión, en la que el mesón y el barión sienten una fuerza fuerte residual, similar a la que une protones y neutrones dentro del núcleo».

Para saber cuál de las hipótesis es la acertada, se necesitarán más estudios. Solo así los pentaquarks terminarán por decirnos todo lo que esconden.

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