El CERN suizo ha confirmado hoy el descubrimiento de una nueva clase de partícula subatómica conocidas como pentaquark. El hallazgo se ha producido gracias al experimento LHCb del Gran Colisionador de Hadrones. Y no solo supone el descubrimiento de una nueva partícula, también de una nueva estructura de la materia.

“Representa una forma de agregar los quarks, una forma que no se ha observado nunca antes durante más de 50 años de búsquedas experimentales. Estudiar sus propiedades podría permitirnos comprender mejor cómo está constituida la materia, los protones y neutrones de los que todos estamos hechos”. Así ha resumido en un comunicado Guy Wilkinson, portavoz del experimento LHCb, el importante hallazgo de hoy.

Los quarks son los constituyentes fundamentales de la materia. En esencia, son partículas subatómicas que se unen para formar partículas mayores, como los protones y los neutrones (formados por tres quarks). Los quarks fueron propuestos en 1964 por primera vez por el físico estadounidense Murray Gell-Mann, y su descubrimiento cambió para siempre la física.

Hasta ahora se sabía que los quarks no se encontraban aislados en la naturaleza, sino formando grupos de dos quarks, conocidos como mesones(pares de quarks hechos de materia y antimateria), de tres quarks, conocidos como bariones, o para formar también protones y neutrones. Sin embargo, desde hace años se especulaba que podrían llegar a componer otras formaciones, en concreto de cinco quarks, generando una partícula subatómica llamada hasta ahora pentaquark. Esta estaría formada por cuatro quarks de materia y uno de antimateria. Era solo teoría, no se había podido demostrar. Ahora, por primera vez en la historia, los científicos del CERN del experimento del LHCb han confirmado que los pentaquarks existen de verdad.

Para comprobar la existencia del pentaquark, los científicos observaron cómo bariones colisionando entre sí se descomponían en otras partículas, en concreto de un barión llamado Lambda b. A medida que se descomponían en otras tres partículas conocidas ya para los científicos, pudieron confirmar un periodo de transición en el que se generaban dos estados intermedios de la materia nunca observados hasta ahora.

“Utilizando la gran cantidad de datos recabados por el LHC, y la excelente precisión de nuestro detector, hemos examinado todas las posibilidades de estas señales, y concluido que solo se pueden explicar por los pentaquarks”, ha explicado en un comunicado Tomasz Skwarnicki, físico del CERN.

En definitiva, un importantísimo hallazgo científico que completa nuestros conocimientos sobre la física de partículas. Los investigadores ahora realizarán más experimentos para entender por completo cómo se unen los cinco quarks. No es el descubrimiento de la materia oscura que el CERN espera realizar en algún momento durante esta segunda etapa de actividad, pero es un enorme avance histórico. [vía CERN y arXiv]

Pentaquark

Un pentaquark es una partícula subatómica hipotética compuesta por un grupo de cinco, cuatro quarks y un antiquark ligados juntos, por lo que es rara respecto a los tres quarks normales de los bariones y a los dos de los mesones.

Más precisamente, un pentaquark está compuesto por cuatro quarks en parejas llamadas diquark y de un antiquark. Cada quark tienen un número de barión de +1⁄3, y los antiquarks de −1⁄3. Por esto tiene un número bariónico próximo a 1 = (4 × 1/3 - 1/3) representado por Θ. En resumen, el pentaquark tendría un número bariónico total de 1, y así sería un barión

Más aún, porque tiene cinco quarks en vez del habituales tres encontrados en bariones regulares (también conocidos 'triquarks'), es clasificado como un barión exótico, nueva clasificación destinada a contener a los pentaquarks y a otras posibles partículas.. El nombre pentaquark fue acuñado por Harry J. Lipkin en 1987,​ a pesar de que la posibilidad de partículas de cinco quarks fue postulada tan temprano como en 1964 cuándo Murray Gell-Mann postuló por primera vez la existencia de quarks.​ A pesar de que fue pronosticado por décadas, los pentaquarks han probado ser sorprendentemente difíciles de descubrir y algunos físicos empezaban para sospechar que una ley desconocida de la naturaleza impedía su producción.​

El primer anuncio del descubrimiento del pentaquark se registró en el LEPS, en Japón en 2003, y varios experimentos a mediados de los 2000 también informaron descubrimientos de otro estados del pentaquark.​ Sin embargo, otros no fueron capaces a replicar los resultados del LEPS, y los descubrimientos de otros pentaquarks no fueron aceptados debido al pobre análisis de datos y estadístico.​

El 13 de julio de 2015, la colaboración LHCb del CERN informó resultados compatibles con estados pentaquark en la decadencia de bariones de Lambda fondo (Λ0

b).​ Los resultados no han experimentado todavía revisión por pares.

Fuera de los laboratorios de física de partículas, los pentaquarks también podrían ser producidos naturalmente por supernovas como parte del proceso de formar una estrella de neutrones.​ El estudio de los pentaquarks podría ofrecer ideas de cómo se forman estas estrellas, así como permitir a los científicos un mejor estudio de la fuerza fuerte y de las interacciones de partículas.

Contexto

Quark

Un quark es un tipo de partícula elemental que tiene masa, carga eléctrica y carga de color, así como una propiedad adicional llamada sabor, el cual describe qué tipo de quark es (arriba, abajo, extraño, encanto, cima o fondo). Debido a un efecto conocido como confinamiento de color, los quarks nunca son vistos en sí mismos. En cambio, forman partículas compuestas conocidas como hadrones de modo que sus cargas de color se anulan mutuamente. Los hadrones conformados por un quark y un antiquark son conocidos como mesones, mientras que aquellos compuestos de tres quarks son conocidos como bariones. Estos hadrones "regulares" están bien documentados y caracterizados, aun así, nada hay en teoría que impida a los quarks formar un hadron exótico, como los tetraquarks con dos quarks y dos antiquarks o los pentaquarks con cuatro quarks y un antiquark.​

Estructura

Una amplia variedad de pentaquarks es posible, con diferentes combinaciones de quarks que producen diferentes partículas . Para identificar qué quarks componen un pentaquark dado, los físicos utilizan la notación qqqqq, donde q y q respectivamente se refieren a cualquiera de los seis sabores posibles de quarks y antiquarks. Los símbolos u, d, s, c, b, y t representan los quarks arriba, abajo, extraño, encanto, fondo y cima respectivamente, mientras los símbolos de u, d, s, c, b y t corresponden a los respectivos antiquarks. Para ejemplo un pentaquark hecho de dos quarks arriba, uno abajo, uno encanto, y un antiquark encanto sería denotado uudcc.

Los quarks están ligados juntos por la fuerza fuerte, la cual actúa de tal manera que cancela las cargas de color dentro de la partícula. En un mesón, esto significa un quark es asociado con un antiquark con una carga de color opuesta – azul y antiazul, por ejemplo– mientras que en un barión, los tres quarks tienen entre todos ellos tres cargas de color – roja, azul y verde.^{nb 1}​ En un pentaquark, los colores también necesitan cancelarse recíprocamente y la única combinación factible es tener un quark con un color (p. ej. rojo), un quark con un segundo color (p. ej. verde), dos quarks con el tercer color (p. ej. azul), y un antiquark para contrarrestar el color de excedente (p. ej. antiazul).

El mecanismo de vinculación interno de los pentaquarks no está claro todavía. Pueden constar de cinco quarks estrechamente ligados juntos, pero es también posible que estén ligados más libremente y que consistan de un barión de tres quarks y un mesón de dos interactuando de forma relativamente débil entre sí, vía intercambio de piones (la misma fuerza que vincula a los núcleos atómicos) en una "molécula mesón-barión".