alquimiayciencias: Habemus pentaquark

Hoy el LHC, en su experimento LHCb, ha hecho público un resultado en el que dice haber descubierto un pentaquark.

Sinceramente, desde mis días de estudiante este tipo de descubrimiento lo he escuchado cada dos años, puede que tenga que ver con que alguno de mis profesores era especialista en el tema y estaba muy interesado en su descubrimiento.

Estoy seguro de que habrá muchas noticias y entradas de blogs al respecto, así que aquí va la mía.

En esta entrada vamos a intentar entender qué es eso de un pentaquark y por qué es tan guay haberlo encontrado con la seguridad que dicen haberlo hecho en el LHC, que sin duda alguna, de ser cierto (y yo no lo dudo) es bastante impresionante.

Pentaquark-rizando que es gerundio.

Los quarks

En el modelo estándar hay distintas caracterizaciones de las partículas.

Están los bosones y los fermiones. Los bosones tienen una característica denominada espín que toma valores enteros 0,1,2, etc. Por su parte, los fermiones tienen valores semienteros del espín, 1/2, 3/2, etc.

Dentro de los fermiones tenemos dos categorías, los leptones y los quarks.

Los leptones no sienten la interacción fuerte y los quarks sí.

Ilustración de Raquel Garcia Uldemollins (http://mati.naukas.com/2013/10/01/27-kilometros-para-entender-la-masa/)

Los quarks vienen en tres familias, como los leptones, y tienen las siguientes características:

Tienen masas que van desde la más pequeña del quark up con una masa 4.5 veces superior a la del electrón hasta la mayor del quark top que él solito tiene la masa de un átomo de tungsteno completo.
Tienen espín como hemos dicho, todos los quarks tienen espín 1/2.
Tienen carga eléctrica. Y aquí tuvimos una sorpresa, los quarks tienen cargas eléctricas, positivas y negativas, que son fracciones de la carga del electrón que hasta la fecha del descubrimiento de los quarks creíamos que era el cuanto elemental de carga eléctrica.

Pero como hemos dicho los quarks sienten una interacción que no sienten los leptones, la interacción fuerte. Cada interacción está asociada a una carga que es la responsable de generar y responder ante dicha interacción. Por ejemplo, para el electromagnetismo tenemos la carga eléctrica que se presenta en dos variantes, positiva y negativa, y tienen valores que son múltiplos (positivos o negativos) de la carga del electrón en valor absoluto.

Para la interacción fuerte tenemos otra carga, la carga de color.

Aquí hay que insistir en que los quarks no están coloreados, no tienen color en el sentido literal de la palabra. A la carga que genera y siente la interacción fuerte se la denomina color porque se presenta en tres variantes que se denominan roja, verde y azul, como en el código RGB de los colores.

La cuestión es que tenemos una carga, la carga de color, que presenta tres variantes, roja, verde y azul. La combinación de dichas cargas, de las tres, se denomina neutra, es decir, sin color, blanca.

Por supuesto, cada quark, igual que cada partícula tiene asociada una antipartícula de igual masa e igual espín pero cuyas cargas son opuestas en signo. Si un quark tiene una carga eléctrica de +1/3 su antiquark tendrá la carga eléctrica de -1/3. Pero además de carga eléctrica tenemos la carga de color, así que un antiquark presenta también una anticarga de color.

La combinación de los tres anticolores también nos proporciona un color blanco, neutro.

Ni que decir tiene que un color y su anticolor, si se combinan, también dan como resultado un color neutro o blanco.

Aquí tenemos todas las posibles combinaciones:

Los colores conectados por lados de un triángulo forman combinaciones neutras. Los colores opuestos en el diagrama también proporcionan combinaciones blancas.

El color

Una sorpresa que nos dio la interacción fuerte y la física de los quarks es que no pueden existir partículas con una carga de color distinta de la neutra. En el caso del electromagnetismo podemos tener partículas con carga positiva, negativa o neutra, no hay ningún problema. Sin embargo, la interacción fuerte obliga a que los quarks se agrupen de tal forma que el resultado sea una carga blanca de color, una carga de color neutra.

Esto hace que los quarks y los antiquarks, que tienen carga de color o anticolor, no puedan pulular libremente. Siempre tienen que estar en agrupaciones tales que su color sea neutro. Las combinaciones que hemos encontrado hasta la fecha son las evidentes. Tres quarks o tres antiquarks con tres (anti)colores distintos, los bariones, o un quark y un antiquark con su color y anticolor correspondiente, los mesones.

Combinaciones neutras de tres quarks o de un quark y un antiquark. Bariones y mesones.

El pentaquark sin color

¿Existen otras combinaciones neutras de color para agrupaciones de quarks?

Pues pensemos un poco:

Dos quarks y dos antiquarks podrían formar una combinación neutra.
Estas partículas se denominan tetraquarks. Por primera vez en el LHC en abril de 2014 se vio una de estas partículas la Z(4430).
Cuatro quarks y un antiquark también podría formar una combinación neutra. Tres de esos quarks serían neutro con cada uno un color, rojo, verde o azul, y luego un quark con un color y el antiquark con el anticolor correspondiente. Esto sería un pentaquark.

Pero claro, tres quarks y un quark-antiquark podrían ser entendidos, muy groso modo, como un barión y un mesón que se han formado en el mismo proceso y que se han medido cuando estaban compartiendo características. Desde 2002 se propuso la existencia de este estado pentaquark, pero hasta la fecha los experimentos no mostraban resultados concluyentes. El problema es que nunca se había medido, a pesar de muchos anuncios, sin ningún género de dudas, una única partícula que tuviera el contenido necesario para formar un pentaquark. Esto es lo que han medido en el LHCb.

¿Cómo se descubre un pentaquark?

Lo que han hecho los amigos del LHCb es estudiar como se desintegra una partícula que es prima hermana del neutrón. El neutrón está compuesto por un quark up y dos quarks down.

La partícula que se genera en el LHCb y se estudia como se desintegra es la $\Lambda_b^0$ . Esta partícula tiene un quark beauty (los del LHCb lo denominan así en el artículo pero es más conocido como bottom) en lugar de un down del neutron.

Esta partícula se desintegra preferentemente en estas partículas (donde se indica el contenido quark de cada una de ellas):

Así la partícula $\Lambda_b^0$ (bud) se desintegra en el mesón $J/\Psi$ ( $c\bar{c}$ ) y una partícula tipo $\Lambda$ con quarks (sud).

Pero esta no es la única forma de desintegrarse la partícula. Hay otra que acaba con un mesón $K^+$ ( $s\bar{u}$ ), un protón (uud) y una $J/\Psi$ ( $c\bar{c}$ ). Pero el estudio de estas desintegraciones conduce a que en un estado intermedio se ha debido de formar una estructura denominada $P^+_c$ que ha de ser, necesariamente, una combinación ($latex c\bar{c},u,u,d).