El experimento LHCb descubre tres nuevas partículas exóticas

La colaboración internacional LHCb en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN ha anunciado hoy la observación de tres partículas nunca antes vistas: un nuevo tipo de "pentaquark" y el primer par de "tetraquarks" de la historia, que además incluye un nuevo tipo de tetraquark. Estos hallazgos, presentados hoy en un seminario del CERN, incorporan tres nuevos miembros exóticos a la creciente lista de hadrones encontrados en el LHC. Las nuevas observaciones realizadas por la colaboración LHCb ayudarán a la comunidad investigadora a comprender mejor cómo se unen los quarks en estas partículas compuestas, los hadrones.

Los quarks son partículas elementales y se presentan en seis sabores: arriba (up), abajo (down), encanto (charm), extraño (strange), cima (top) y fondo (bottom). Suelen combinarse en grupos de dos y tres para formar hadrones, como los protones y neutrones que componen los núcleos atómicos. Sin embargo, en raras ocasiones, también pueden combinarse en partículas de cuatro y cinco quarks, denominados "tetraquarks" y "pentaquarks", respectivamente. Estos últimos hadrones exóticos fueron predichos por los físicos teóricos al mismo tiempo que los hadrones convencionales, hace unas seis décadas. Sin embargo, no habían sido observados experimentalmente hasta hace relativamente poco, en los últimos 20 años.

La mayoría de hadrones exóticos descubiertos en las últimas dos décadas son tetraquarks o pentaquarks formados por un quark charm y un antiquark charm, siendo los dos o tres quarks restantes un quark up, down o strange, o un antiquark. No obstante, en los dos últimos años, el LHCb ha descubierto otros tipos de hadrones exóticos. Hace dos años, la colaboración descubrió un tetraquark formado por dos quarks charm y dos antiquarks charm, y dos tetraquarks "open-charm" formados por un antiquark charm, un quark up, un quark down y un antiquark strange. El año pasado la colaboración encontró el primer tetraquark "open-charm" con dos quarks charm, un antiquark up y uno down. La etiqueta "open-charm" (encanto abierto) se utiliza cuando la partícula contiene un quark encanto sin un antiquark equivalente.

Los descubrimientos anunciados hoy por la colaboración LHCb incluyen nuevos tipos de hadrones exóticos. El primero, observado en un análisis de las desintegraciones de mesones B con carga negativa, es un pentaquark formado por un quark charm, un antiquark charm, un quark up, uno down y uno strange. Es el primer pentaquark que contiene un quark strange. El hallazgo tiene una significancia estadística de 15 desviaciones estándar, mucho más de las 5 desviaciones estándar que se requieren para afirmar la observación de una partícula en la física de partículas.

El segundo hadrón observado por LHCb es un tetraquark doblemente cargado eléctricamente. Se trata de un tetraquark "open-charm" compuesto por un quark charm, un antiquark strange, un quark up y un antiquark down. Ha sido descubierto junto a su partícula homóloga neutra en un análisis de las desintegraciones de mesones B cargados positivamente y neutros. Los nuevos tetraquarks han sido observados con una significancia estadística de 6,5 (para la partícula doblemente cargada) y 8 (para la partícula neutra) desviaciones estándar y el hallazgo representa la primera vez que se observa un par de tetraquarks.

"Cuantos más análisis realizamos, más tipos de hadrones exóticos encontramos", afirma el coordinador de física del LHCb, Niels Tuning. "Estamos viviendo un periodo de descubrimientos similar al de la década de 1950, cuando se empezó a descubrir un 'zoo de partículas hadrónicas' que finalmente condujo al modelo de quarks de los hadrones convencionales en la década de 1960. Estamos creando un 'zoo de partículas 2.0'".

"Encontrar nuevos tipos de tetraquarks y pentaquarks y medir sus propiedades ayudará a los físicos teóricos a desarrollar un modelo unificado para los hadrones exóticos, cuya naturaleza exacta se desconoce en gran medida", afirma Chris Parkes, portavoz del LHCb. "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 contemplan como pares de hadrones estándar débilmente unidos en una estructura similar a la de una molécula. Con la realización de más estudios relacionados con hadrones exóticos, estaremos más cerca de conocer si estas partículas siguen la primera, la segunda o ambas descripciones.

La colaboración científica LHCb está formada por más de 1.500 científicos e ingenieros de 20 países, entre ellos España. De nuestro país, participan investigadores de la Universidad de Santiago de Compostela, de la Universidad de Barcelona, de la Universidad Ramon Llull y del Instituto de Física Corpuscular (IFIC), centro mixto del CSIC y de la Universidad de Valencia.