Tomasz Skwarnicki, profesor de física en la Facultad de Artes y Ciencias de la Universidad de Syracuse, ha descubierto nueva información sobre una clase de partículas llamadas pentaquarks. Sus hallazgos podrían conducir a una nueva comprensión de la estructura de la materia en el universo.

Con la asistencia de Liming Zhang, profesor asociado en la Universidad de Tsinghua en Beijing, Skwarnicki ha analizado datos del experimento de belleza del Gran Colisionador de Hadrones (LHCb) en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN en Suiza. El físico experimental ha descubierto evidencia de tres pentaquarks nunca antes vistos, cada uno dividido en dos partes.

"Hasta ahora, habíamos pensado que un pentaquark estaba formado por cinco partículas elementales [llamadas quarks], atrapados juntos. Nuestros hallazgos demuestran lo contrario, "dice Skwarnicki, miembro de la Sociedad Estadounidense de Física.

Skwarnicki es parte de un equipo de investigadores, incluidos los miembros del Grupo de Física de Altas Energías (HEP) de Syracuse, estudiando partículas y fuerzas fundamentales en el Universo. La mayor parte de su trabajo se desarrolla en el laboratorio del CERN, cuyo LHC es el más grande, detector de partículas más potente del mundo.

Es dentro del LHC donde los protones se lanzan juntos a altas energías, sólo para chocar entre sí. ¿Qué hay dentro de las partículas? cuando se abre, ayuda a los científicos a investigar los misterios del universo fundamental.

Estudiando las colisiones de protones de 2015-18, Skwarnicki ha confirmado la existencia de una subestructura dentro de un pentaquark. El sorteo él dice, era un trío de picos estrechos en los datos cinemáticos del LHC.

Cada pico se refiere a un pentaquark en particular, específicamente, uno dividido en dos partes:un barión, que contiene tres quarks, y un mesón, con dos quarks.

Un pico también sugiere resonancia, un fenómeno de corta duración durante la descomposición de partículas, en el que una partícula inestable se transforma en varias otras. La resonancia ocurre cuando los protones (un tipo de barión) se encuentran, o con más precisión, se deslizan entre sí durante una colisión con el LHC.

Lo que es único en cada uno de estos tres pentaquarks es que su masa es ligeramente menor que la suma de sus partes; en este caso, las masas del barión y el mesón. "El pentaquark no decayó con su facilidad habitual, proceso de desintegración, "Dice Skwarnicki". En cambio, decayó reorganizando lenta y laboriosamente sus quarks, formando una resonancia estrecha ".

Comprender cómo las partículas interactúan y se unen es la especialidad de Skwarnicki. En 2015, él y luego Ph.D. estudiante Nathan Jurik G'16, El distinguido profesor Sheldon Stone y Zhang fueron noticia por su papel en la detección de un pentaquark por parte del LHCb. Teorizado medio siglo antes, su descubrimiento se basó en datos del LHC de 2011-12.

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.

"También nos dio 10 veces más datos y nos permitió observar las estructuras de pentaquark con más claridad que antes, "Dice Skwarnicki." Lo que pensamos que era solo un pentaquark resultó ser dos estrechos, con poco espacio entre ellos ".

Los datos también revelaron un tercer pentaquark "compañero". "Los tres pentaquarks tenían el mismo patrón:un barión con una subestructura de mesón. Sus masas estaban por debajo de los umbrales de barión-mesón apropiados, " él añade.

El descubrimiento de Skwarnicki ocurrió relativamente rápido, considerando que LHCb dejó de recopilar datos hace menos de tres meses.

Eric Sedore, CIO asociado para servicios de infraestructura en Servicios de Tecnología de la Información (ITS), jugó un papel de apoyo. Su Equipo de Investigación en Computación proporcionó la potencia de fuego informática necesaria para que Skwarnicki lograra sus objetivos.

Además de Skwarnicki y Stone, HEP incluye a los profesores Marina Artuso y Steven Blusk y al profesor asistente Matthew Rudolph. El grupo actualmente está construyendo un aparato en el campus llamado Upstream Tracker (UT), se enviará e instalará en el CERN el próximo año como parte de una importante actualización del LHCb.

"La UT mejorará significativamente el LHCb, que se compone de aproximadamente 10 subdetectores diferentes. Tengo la esperanza de que la UT conduzca a más descubrimientos, "dice Skwarnicki, agregando que Artuso y Stone son el líder y adjunto del Proyecto UT, respectivamente.

Skwarnicki está entusiasmado con LHCb porque ayuda a explicar cómo se comportan los componentes más pequeños de la materia. Su último descubrimiento, por ejemplo, demuestra que los pentaquarks se construyen de la misma manera que los protones y neutrones, que están unidos en el núcleo de un átomo.

"Los pentaquarks pueden no desempeñar un papel importante en la materia de la que estamos hechos, " él dice, "pero su existencia puede afectar significativamente nuestros modelos de la materia que se encuentran en otras partes del universo, como las estrellas de neutrones ".