Físicos del Gran Colisionador de Hadrones descubren 3 nuevas partículas exoticas

La colaboración internacional LHCb en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) ha observado tres partículas nunca antes vistas: un nuevo tipo de “pentaquark” y el primer par de “tetraquarks”, que incluye un nuevo tipo de tetraquark. Los hallazgos, agregan tres nuevos miembros exóticos a la creciente lista de nuevos hadrones encontrados en el LHC. Ayudarán a los físicos a comprender mejor cómo se unen los quarks en estas partículas compuestas.

El nuevo pentaquark, ilustrado aquí como un par de hadrones estándar unidos libremente en una estructura similar a una molécula, se compone de un quark charm y un antiquark charm y un quark up, down y un extraño (Imagen: CERN)

Los quarks son partículas elementales y vienen en seis sabores: arriba, abajo, encanto, extraño, arriba y abajo. Por lo general, se combinan en grupos de dos y tres para formar hadrones, como los protones y los neutrones que forman los núcleos atómicos. Más raramente, sin embargo, también pueden combinarse en partículas de cuatro y cinco quarks, o “tetraquarks” y “pentaquarks”. Estos hadrones exóticos fueron predichos por los teóricos al mismo tiempo que los hadrones convencionales, hace unas seis décadas, pero solo recientemente, en los últimos 20 años, han sido observados por LHCb y otros experimentos.

La mayoría de los hadrones exóticos descubiertos en las últimas dos décadas son tetraquarks o pentaquarks que contienen un quark charm y un antiquark charm, siendo los dos o tres quarks restantes un quark arriba, abajo o extraño o sus antiquarks. Pero en los últimos dos años, LHCb ha descubierto diferentes tipos de hadrones exóticos.

Hace dos años, la colaboración descubrió un tetraquark compuesto por dos quarks charm y dos antiquarks charm, y dos tetraquarks de “encanto abierto” que consisten en un antiquark charm, un quark up, un quark down y un antiquark strange. Y el año pasado encontró la primera instancia de un tetraquark de “doble encanto abierto” con dos quarks encanto y un antiquark arriba y abajo. Encanto abierto significa que la partícula contiene un quark encanto sin un antiquark equivalente.

Los descubrimientos anunciados por la colaboración LHCb incluyen nuevos tipos de hadrones exóticos. El primer tipo, observado en un análisis de “desintegraciones” de mesones B cargados negativamente, es un pentaquark compuesto por un quark charm y un antiquark charm y un quark up, down y un quark extraño. Es el primer pentaquark que contiene un quark extraño. El hallazgo tiene una enorme significación estadística de 15 desviaciones estándar, mucho más allá de las 5 desviaciones estándar que se requieren para reclamar la observación de una partícula en la física de partículas.

Los dos nuevos tetraquarks, ilustrados aquí como unidades individuales de quarks estrechamente unidos. Una de las partículas está compuesta por un quark encanto, un antiquark extraño y un quark arriba y un antiquark abajo (izquierda), y la otra está compuesta por un quark encanto, un antiquark extraño y un antiquark arriba y un quark abajo (derecha) (Imagen: CERN)

El segundo tipo es un tetraquark doblemente cargado eléctricamente. Es un tetraquark de encanto abierto compuesto por un quark de encanto, un antiquark extraño, un quark arriba y un antiquark abajo, y se detectó junto con su contraparte neutra en un análisis conjunto de desintegraciones de mesones B neutrales y cargados positivamente. Los nuevos tetraquarks, observados con una significación estadística de 6,5 (partículas doblemente cargadas) y 8 (partículas neutras) desviaciones estándar, representan la primera vez que se observa un par de tetraquarks.

El coordinador de física del LHCb, Niels Tuning dijo:

“Cuantos más análisis realizamos, más tipos de hadrones exóticos encontramos”

“Estamos siendo testigos de un período de descubrimiento similar a la década de 1950, cuando comenzó a descubrirse un ‘zoológico de partículas’ de hadrones que finalmente condujo al modelo de quarks de hadrones convencionales en la década de 1960. Estamos creando un ‘zoológico de partículas 2.0’”.

El portavoz de LHCb, Chris Parkes dijo:

“Encontrar nuevos tipos de tetraquarks y pentaquarks y medir sus propiedades ayudará a los teóricos a desarrollar un modelo unificado de hadrones exóticos, cuya naturaleza exacta se desconoce en gran medida”

“También ayudará a comprender mejor los hadrones convencionales”.

Mientras que algunos modelos teóricos describen los hadrones exóticos como unidades individuales de quarks fuertemente unidos, otros modelos los visualizan como pares de hadrones estándar débilmente unidos en una estructura similar a una molécula. Solo el tiempo y más estudios de hadrones exóticos dirán si estas partículas son una, la otra o ambas.

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