El Gran Colisionador de Hadrones es el acelerador de partículas más grande y de mayor energía que existe y la máquina más grande construida por el ser humano en el mundo.​ Fue construido por la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) entre 1998 y 2008 en colaboración con más de 10 000 científicos y cientos de universidades y laboratorios, así como más de 100 países de todo el Mundo.​ Se encuentra en un túnel de 27 kilómetros de circunferencia y a una profundidad de 175 metros bajo tierra debajo de la frontera entre Francia y Suiza, cerca de Ginebra.

La colaboración de físicos del Gran Colisionador de Hadrones del CERN anunció el descubrimiento de una nueva partícula pentaquark, llamada Pc (4312) + y configurada por un protón y un mesón J/ψ, una partícula compuesta de un quark encanto y un antiquark encanto.

El quark encantado es una partícula elemental que pertenece a la segunda generación de quarks. Tiene una carga eléctrica igual a +⅔ de la carga elemental, un spin de ½, con lo cual es un fermión y cumple el principio de exclusión de Pauli, y una masa de 1,5 GeV. Como los demás quarks, el quark encantado tiene carga de color, y el antiquark encantado tiene carga de anticolor; sienten la interacción fuerte.

El Modelo de Quark

En el modelo de quark convencional, las partículas de interacción fuerte conocidas como hadrones, se forman a partir de pares de quark-antiquark (mesones) o tres quarks (bariones). Las partículas que no pueden clasificarse dentro de este esquema se conocen como hadrones exóticos.

En su artículo fundamental de 1964, en el que propuso el Modelo de Quarks, el físico Murray Gell-Mann mencionó la posibilidad de agregar un par de quark-antiquark a una configuración mínima de quarks mesón o barión.

Sin embargo, a los científicos les llevó 50 años obtener pruebas experimentales inequívocas de la existencia de estos hadrones exóticos.

El descubrimiento

En julio de 2015, la Colaboración de físicos en el Gran Colisionador de Hadrones informó las estructuras de los pentaquark Pc (4450) + y Pc (4380) +.

La nueva partícula es un compañero más ligero de estas estructuras de pentaquarks y su existencia arroja nueva luz sobre la naturaleza de toda la familia de pentaquarks.

“Hasta ahora, habíamos pensado que un pentaquark estaba formado por cinco partículas elementales (quarks), pegadas entre sí. Nuestros hallazgos demuestran lo contrario”, dijo el profesor Tomasz Skwarnicki de la Universidad de Syracuse, miembro de la Colaboración LHCb.

El nuevo análisis utilizó casi 10 veces más datos del Gran Colisionador de Hadrones que el análisis de 2015.

“Los últimos datos de LHCb utilizaron un haz de energía que era casi el doble de fuerte. Este método, combinado con criterios de selección de datos más refinados, produjo una mayor variedad de colisiones de protones”, dijo el profesor Skwarnicki.

“También nos dio 10 veces más datos y nos permitió observar las estructuras de pentaquarks con mayor claridad que antes. Lo que pensamos que era solo un pentaquark resultó ser dos bien unidos, con poco espacio entre ellos”.

El nuevo conjunto de datos se analizó por primera vez de la misma forma que antes y los parámetros de las estructuras Pc (4450) + y Pc (4380) + informadas anteriormente fueron consistentes con los resultados originales.

Además de revelar la nueva partícula Pc (4312) +, el análisis también descubrió una estructura más compleja de Pc (4450) que consiste en dos picos superpuestos estrechos, Pc (4440) + y Pc (4457) +.

Todavía se necesita más estudio experimental y teórico para comprender completamente la estructura interna de los estados observados.

“Los pentaquarks pueden no jugar un papel importante en la materia de la que estamos hechos, pero su existencia puede afectar significativamente nuestros modelos de la materia que se encuentra en otras partes del Universo, como las estrellas de neutrones”, dijo el profesor Skwarnicki.

Los físicos de LHCb presentaron sus resultados la semana pasada en la sesión QCD & High Energy Interactions de la 54ª Conferencia Rencontres de Moriond en La Thuile, Italia.

Referencia del documento científico:
Tomasz Skwarnicki et al (Colaboración LHCb). Espectroscopia de Hadrón y estados exóticos en el Gran Colisionador de Hadrones. Moriond QCD 2019.