Tetraquarks y pentaquarks: Descubriendo nuevas formas de materia exótica

Científicos trabajando recientemente en el laboratorio del CERN anuncio el descubrimiento de un material exótico desconocido en la naturaleza: dos «tetraquarks» diferentes y un «pentaquark», todos los cuales fueron creados dentro de colisiones entre pares de protones que chocan a velocidades muy cercanas a la velocidad de la luz. La energía de estas colisiones se transmuta literalmente en estas partículas exóticas, un proceso regido por la famosa ecuación de Einstein E=mc². Proporcionarán un nuevo método para estudiar la fuerza que une los centros de los átomos.

¿Qué son los quarks?

quarks ha sido propuesto en 1964 por el físico estadounidense Murray Gell-Mann como solución a un gran problema de la época. Desde finales de la década de 1940 hasta principios de la de 1960, los físicos descubrieron cientos de partículas con una vertiginosa variedad de masas, cargas eléctricas, tiempos de vida y modos de interacción de partículas. Se habían descubierto tantas partículas diferentes con una gama tan diversa de propiedades, que los investigadores en ese momento llamaron a la colección de animales salvajes «el zoológico de partículas». En el momento de su descubrimiento, estas partículas eran los objetos más pequeños conocidos.

Gell-Mann rompió la confusión cuando se dio cuenta de que las partículas del zoológico no eran los objetos más pequeños de la naturaleza. Por el contrario, los habitantes del zoológico subatómico estaban formados por partículas aún más pequeñas: los quarks. La idea original de Gell-Mann era que había tres tipos de quarks, a los que llamó quark arriba, quark abajo y quark extraño.

Las partículas más pesadas conocidas en ese momento eran combinaciones de tres quarks. Por ejemplo, el protón familiar consta de dos quarks up y un quark down, mientras que el neutrón consta de uno up y dos downs. El nombre de estas partículas pesadas es «bariones», de la palabra griega baroso («pesado»).

Las partículas de masa media se llaman mesones, de mis huesos («ambiente»). Los mesones están formados por un quark y un quark de antimateria. El mesón más común se llama mesón pi («pion»), y un pion particular está formado por un quark up y un quark de antimateria down. Las partículas más ligeras, llamadas «leptones», tomadas del griego leptos («luz») son una clase completamente diferente de partículas y no contienen quarks. El más famoso es el electrón.

Si bien la teoría de los quarks explicaba gran parte del zoo de partículas conocido, también predecía la existencia de partículas que aún no se habían observado cuando se propuso la teoría, por ejemplo, las «barión omega”, compuesto por tres extraños quarks. (Sin embargo, la teoría fue validada unos meses más tarde, cuando se descubrió el barión omega). Los quarks son parte de la Modelo estándar de física de partículasque es universalmente aceptado dentro de la comunidad científica.

Si bien Gell-Mann propuso originalmente que solo había tres quarks, los científicos ahora han descubierto un total de seis. Sus nombres son alto, bajo, encantador, extraño, alto y bajo. Durante el último medio siglo, los investigadores han descubierto la mayoría de las formas posibles de combinar tres a la vez, o como un par de quarks y antimateria.

No solo tríos, sino cuartetos y quintetos

Sin embargo, en Gell-mann papel original, no limitó las posibles configuraciones de quarks a solo bariones de tres quarks y mesones de pares quark-antiquark. También postuló un «tetraquark» de cuatro componentes (que consta de dos quarks y dos antiquarks) y un «pentaquark» de cinco componentes (que consta de cuatro quarks y un antiquark). Las búsquedas de estas partículas no han tenido éxito durante años, pero más recientemente se han detectado ocasionalmente partículas candidatas.

En los últimos años, una experiencia en CERN laboratorio, llamado LHCb, trató de encontrar partículas previamente desconocidas. Su descubrimiento anunciado recientemente no es una clase de materia completamente nueva, después de todo, se sabía que existían un puñado de tetraquarks y pentaquarks, sino más bien nuevas variantes.

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Dos de las partículas son tetraquarks. Uno de ellos está compuesto por un quark encantado, un quark arriba, un antiquark abajo y un antiquark extraño; el otro está compuesto por un quark encantado, un quark abajo, un antiquark arriba y un antiquark extraño. (Nota: los antiquarks se indican con una línea encima de la letra).

La otra partícula nueva es un pentaquark, que consiste en un quark encanto y su antiquark en combinación con un quark arriba, un quark abajo y un quark extraño. Es el primer pentaquark que contiene un quark extraño.

La importancia de la materia exótica

Entonces, ¿cuál es la importancia de descubrir nuevos ejemplos de formas de materia muy exóticas? Nos permite comprender mejor la naturaleza de la fuerza nuclear fuerte en condiciones extremas. (La fuerza nuclear fuerte es responsable, entre otras cosas, de mantener unidos los núcleos atómicos).

También tiene implicaciones para nuestra comprensión de la evolución del Universo primitivo. Poco después del Big Bang, el Universo estaba tan caliente que los quarks vagaron libremente y no quedaron atrapados dentro de partículas más grandes. Aproximadamente una millonésima de segundo después del Big Bang, el Universo se enfrió lo suficiente como para que la fuerza nuclear fuerte comenzara a acumular quarks dentro de los protones y neutrones que forman el cosmos, pero durante la transición también tuvo que ensamblar tetraquarks y pentaquarks. . Aunque hace mucho tiempo que estas partículas primordiales se descompusieron, un relato completo de los orígenes del Universo requerirá que se entiendan los tetraquarks y los pentaquarks.