Partícula 'Imposible' agrega una pieza al rompecabezas de Strong Force

Esta primavera, en En una reunión del grupo de física de quarks de la Universidad de Siracusa, Ivan Polyakov anunció que había descubierto las huellas dactilares de una partícula semimítica.

“Dijimos: 'Esto es imposible. ¿Qué error estás cometiendo? '”, Recordó Sheldon Stone, el líder del grupo.

Polyakov se fue y verificó dos veces su análisis de los datos del experimento de belleza del Gran Colisionador de Hadrones (LHCb) del que forma parte el grupo de Syracuse. La evidencia se mantuvo. Mostró que un conjunto particular de cuatro partículas fundamentales llamadas quarks puede formar una camarilla cerrada, contrariamente a la creencia de la mayoría de los teóricos. La colaboración del LHCb informó sobre el descubrimiento de la partícula compuesta, denominada tetraquark de doble hechizo, en una conferencia en julio y en dos artículos publicados a principios de este mes que ahora están siendo revisados ​​por pares.

El descubrimiento inesperado del tetraquark de doble hechizo resalta una verdad incómoda. Si bien los físicos conocen la ecuación exacta que define la fuerza fuerte (la fuerza fundamental que une a los quarks para formar los protones y neutrones en los corazones de los átomos, así como otras partículas compuestas como los tetraquarks), rara vez pueden resolver esta extraña ecuación infinitamente iterativa. , por lo que luchan por predecir los efectos de la fuerza fuerte.

El tetraquark presenta ahora a los teóricos con un objetivo sólido contra el cual probar su maquinaria matemática para aproximar la fuerza fuerte. Perfeccionar sus aproximaciones representa la principal esperanza de los físicos para comprender cómo se comportan los quarks dentro y fuera de los átomos, y para distinguir los efectos de los quarks de los signos sutiles de nuevas partículas fundamentales que los físicos están buscando.

Lo extraño de los quarks es que los físicos pueden abordarlos en dos niveles de complejidad. En la década de 1960, lidiando con un zoológico de partículas compuestas recién descubiertas, desarrollaron el "modelo de quark" caricaturesco, que simplemente dice que los quarks se agrupan en conjuntos complementarios de tres para producir el protón, el neutrón y otros bariones, mientras que los pares de los quarks forman varios tipos de partículas de mesón.

Poco a poco, surgió una teoría más profunda conocida como cromodinámica cuántica (QCD). Pintó el protón como una masa hirviente de quarks unidos por hilos enredados de partículas de "gluones", los portadores de la fuerza fuerte. Los experimentos han confirmado muchos aspectos de QCD, pero ninguna técnica matemática conocida puede desentrañar sistemáticamente la ecuación central de la teoría.

De alguna manera, el modelo de quarks puede representar la verdad mucho más complicada, al menos cuando se trata de la colección de bariones y mesones descubiertos en el siglo XX. Pero el modelo no pudo anticipar los fugaces tetraquarks y los “pentaquarks” de cinco quarks que comenzaron a aparecer en la década de 2000. Estas partículas exóticas seguramente provienen de QCD, pero durante casi 20 años, los teóricos han estado perplejos en cuanto a cómo.

"Simplemente no conocemos el patrón todavía, lo cual es vergonzoso", dijo Eric Braaten, un teórico de partículas de la Universidad Estatal de Ohio.

El tetraquark más nuevo agudiza el misterio.

Apareció entre los escombros de aproximadamente 200 colisiones en el experimento LHCb, donde los protones chocan entre sí 40 millones de veces por segundo, dando a los quarks innumerables oportunidades para retozar en todas las formas que la naturaleza lo permite. Los quarks vienen en seis "sabores" de masas, y los quarks más pesados ​​aparecen con menos frecuencia. Cada una de esas 200 y pico colisiones generó suficiente energía para hacer dos quarks con sabor a encanto, que pesan más que los quarks ligeros que comprenden protones pero menos que los gigantescos quarks de “belleza” que son la principal cantera del LHCb. Los quarks de encanto de peso medio también se acercaron lo suficiente como para atraerse entre sí y formar dos antiquarks livianos. El análisis de Polyakov sugirió que los cuatro quarks se unieron durante unas gloriosas 12 sextillonésimas de segundo antes de que una fluctuación de energía provocara dos quarks adicionales y el grupo se desintegre en tres mesones.