Físicos del CERN observan una nueva partícula con dos quarks pesados

Miembros del experimento LHCb del gran colisionador de hadrones (LHC) del CERN han anunciado este jueves en la Conferencia de Física de Altas Energías de la Sociedad Europea de Física (EPS-HEP 2017), que se celebra en Venecia (Italia), la observación de una nueva partícula compuesta por dos quarks charm (encanto) y uno up (arriba).

La masa de la nueva partícula es de unos 3.621 MeV, casi cuatro veces más pesada que la del barión más conocido: el protón

La existencia de esta partícula de la familia de los bariones se esperaba por las actuales teorías, pero los físicos han buscado estos bariones con dos quarks pesados muchos años. La masa de la nueva partícula es de unos 3.621 megaelectronvoltios (MeV), casi cuatro veces más pesada que la del barión más conocido, el protón, debido a que está compuesta por dos quark charm. Es la primera vez que este tipo de partícula se detecta sin ambigüedad.

Casi toda la materia que vemos a nuestro alrededor está hecha de bariones, partículas compuestas de tres quarks de las que las más conocidas son los protones y neutrones que forman el núcleo atómico. Hay seis tipos de quarks, y en teoría se podrían dar muchas combinaciones para formar otros tipos de bariones. Sin embargo, los bariones que se conocen se componen todos, al menos, de un quark pesado.

“Encontrar un barión con dos quarks pesados es muy interesante puesto que ofrece una herramienta única para probar la cromodinámica cuántica, la teoría que describe la interacción fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales”, destaca Giovanni Passaleva, uno de los portavoces de la colaboración LHCb. “Este tipo de partículas nos ayudará a mejorar el poder de predicción de nuestras teorías”.

Como un sistema planetario

“A diferencia de otros bariones, donde los tres quarks realizan una elaborada danza los unos alrededor de los otros, un barión doblemente pesado se espera que actúe como un sistema planetario, donde los dos quarks pesados juegan el papel de estrellas masivas orbitando una alrededor de la otra, con el quark más ligero orbitando alrededor de este sistema binario”, explica Guy Wilkinson, anterior portavoz de la colaboración LHCb.

Medir las propiedades de la nueva partícula, denominada científicamente como Ξ_cc⁺⁺ (Xi_cc⁺⁺), ayudará a establecer cómo se comporta un sistema de dos quarks pesados y uno ligero. Se puede obtener información importante midiendo de forma precisa los mecanismos por los que se produce y se desintegra esta partícula, así como su tiempo de vida.

“Este tipo de partículas nos ayudará a mejorar el poder de predicción de nuestras teorías”, destacan los físicos

La observación de este nuevo barión ha sido un reto, que ha sido posible gracias a la alta tasa de producción de quarks pesados en el LHC y a las capacidades únicas del experimento LHCb, que puede identificar los productos de la desintegración con una excelencia eficiencia. En concreto, se identificó por su desintegración a un barión Λ_c⁺ y tres mesones ligeros K^–, π⁺ and π⁺.

La observación de Ξ_cc⁺⁺ en LHCb incrementa las expectativas de detectar otros representantes de la familia de bariones con dos quarks pesados, que se buscarán ahora en el LHC. Este resultado se basa en datos obtenidos a una energía de 13 teraelectronvoltios (TeV) durante el segundo ciclo de funcionamiento o Run 2 del LHC, y se confirmó con datos de 8 TeV del Run 1. Los descubridores de la nueva partícula han enviado un artículo a la revista Physical Review Letters.

La colaboración científica de LHCb está formada por más de 1.200 científicos e ingenieros de 72 centros de investigación en 16 países, entre ellos España. En nuestro país participan grupos de investigación de la Universidad de Santiago (Instituto Gallego de Física de Altas Energías, IGFAE), la Universidad de Barcelona (Instituto de Ciencias del Cosmos, ICCUB), ambos Unidades de Excelencia María de Maeztu, y el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-Universidad de Valencia), Centro de Excelencia Severo Ochoa.