Ciudad de México.- La semana pasada, mientras la nave New Horizons sobrevolaba Plutón, en Tierra se hacía un importante anuncio sobre la física de partículas. Una vez más, la noticia provenía desde el inframundo de la física de altas energías: el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), donde uno de sus experimentos había realizado el hallazgo de pentaquarks, una formación de partículas subatómicas que se había predicho, pero permanecía sin comprobarse.
Los pentaquarks no son nuevas partículas, sino una manera de agregación de quarks. Para entender el significado del descubrimiento se debe partir por definir qué son estas partículas subatómicas, propuestas por Murray Gell Mann hace 50 años, que lo hizo acreedor del Premio Nobel.
El físico distinguió entre dos categorías de partículas: por una parte los bariones, que incluye a protones y neutrones, y por el otro los mesones. Los bariones están compuestos por tres objetos con carga eléctrica fraccionada llamados quarks, mientras que los mesones se forman por pares de quarks y antiquarks (su antipartícula). Este modelo de quarks permitía la existencia de otros estados de composición de quarks, como el conformado por 4 quarks y un antiquark, un pentaquark.
“Hay mesones que son arreglos de 2 y bariones que son arreglos de 3 quarks. La interacción fuerte —una de las cuatro fuerzas que el modelo estándar de la física establece para explicar las interacciones entre partículas y que mantiene unidos a los protones en el núcleo— prevé la existencia de arreglos de 4, 5, 6…”, señala el físico de partículas Gerardo Herrera Corral. “Sin embargo, la manera cómo se agrupen los quarks aún es difícil de calcular en la teoría que los describe, llamada cromodinámica cuántica”.
El especialista del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (Cinvestav) y miembro del equipo mexicano que participa en el LHC en Ginebra, Suiza, explica que los pentaquarks han sido buscados por mucho tiempo y en muchas ocasiones encontrados… “El descubrimiento que se anuncia va en el sentido de ‘ahora sí, lo tenemos’”.
El autor de El Higgs, el universo líquido y el Gran Colisionador de Hadrones, añade que en la naturaleza existen 6 quarks y 6 leptones que forman la materia de la que estamos hechos. Los quarks se agrupan siempre en arreglos llamados mesones, formados por 2 quarks y bariones que son arreglos de 3 quarks. “Por ejemplo, el protón es un barión hecho de los quarks ‘up, up, down’”. El físico enfatiza que si bien la interacción fuerte prevé la existencia de arreglos de 4, 5 y hasta 6 quarks, no habían sido observados. “O mejor dicho, las observaciones que se habían reportado eran muy controversiales”.
ANÁLISIS. La semana pasada, el equipo del experimento LHCb del Gran Colisionador publicó en Physical Review Letters los resultados de las mediciones logradas en este detector. Hallaron estados de pentaquarks examinando el decaimiento del barión conocido como “Lambda b” en otras tres partículas; estudiando dos de éstas detectaron que ocasionalmente había estados intermedios en su producción. Estos fueron llamados Pc (4450)+ y Pc(4380)+, el primero de los cuales era muy visible en los picos de la información estadística obtenida, mientras que para el otro se requería el análisis de toda la información.
Con la robustez y precisión de los análisis en el LHCb, los científicos examinaron todas las posibilidades de estas señales y concluyeron que sólo podían explicarse por un estado de pentaquarks, más precisamente: 2 quarks “up”, 1 “down”, 1 “charm” y 1 “anti-charm”.
“El pico que muestran en la grafica de masa es muy pronunciado y claro”, apunta Herrera Corral. “El LHCb anunció una señal enorme de un arreglo de 5 quarks y lo reportan con una observación desde muchas perspectivas que hacen más seguro el anuncio de la existencia del arreglo pentaquark”.
El físico, quien encabeza a los mexicanos en el experimento ALICE del LHC, añade que la observación no significa un nuevo paradigma de la física o el modelo estándar, pero sí representa un avance en la comprensión de la interacción fuerte.
“La teoría que describe la interacción fuerte se llama cromodinámica cuántica, cuyos cálculos son muy difíciles. No obstante, con la observación de estos nuevos estados de la materia, obtenidos por el LHC, podremos entender mejor esta teoría”.
La siguiente meta en este experimento del LHC es conocer el mecanismo interno dentro de los pentaquarks, puesto que desconocen si están fuertemente ligados en una sola composición o si forman un par de uniones. Los científicos confían en que las próximas mediciones del LHCb podrán ponerle “rostro” a este estado exótico de la materia que empezamos a conocer mejor.
