A lo largo del siglo XX, los físicos han descubierto numerosas partículas elementales. La familia más grande de estas partículas son los llamados hadrones, partículas subatómicas que participan en interacciones fuertes.

Esta amplia familia de partículas contiene numerosos subconjuntos de partículas con propiedades similares. En 1964, M. Gell-Mann y G. Zweig introdujeron una renombrada teoría conocida como "Modelo Quark", que describía claramente la estructura interna de los hadrones.

El modelo de quarks sugiere que los hadrones consisten en tres quarks (bariones) o pares de quarks-antiquarks (mesones). Si bien muchos hadrones descubiertos caen en una de estas dos categorías, el modelo también plantea la hipótesis de la existencia de hadrones con estructuras más complejas, como pentaquarks (es decir, cuatro quarks y un antiquark) y tetraquarks (es decir, dos pares de quarks y antiquarks).

Muchos estudios en la década de 1970 teorizaron sobre los posibles mecanismos que sustentan la formación de estas complejas estructuras de hadrones. Todos los hadrones descubiertos hasta 2003 tenían estructuras que coincidían con uno de los dos tipos principales descritos por el modelo de quarks, aunque algunas de las partículas observadas después de esa fecha son difíciles de explicar usando el modelo.

El experimento LHCb es un detector en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN cuyo objetivo principal es revelar las diferencias entre la materia y la antimateria mediante el estudio de un tipo específico de partícula, conocida como "quark de belleza". La Colaboración LHCb, el gran grupo de investigadores involucrados en el experimento, ha observado recientemente un tetraquark exótico con una estructura inusual, que contiene dos quarks encanto.

"El descubrimiento del quark de encanto pesado en 1974 (observación de los mesones J/ψ en 1974, a menudo llamados 'revolución de noviembre') e incluso el quark de belleza más pesado en 1977, llevó al reconocimiento de que los tetraquarks que consisten en dos quarks pesados ​​y dos ligeros los antiquarks podrían tener propiedades interesantes e inusuales", dijo a Phys.org Vanya Belyaev, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. "Sin embargo, las instalaciones experimentales adecuadas para la búsqueda y el estudio de tales objetos 'doblemente pesados' solo aparecieron en el siglo XXI, con el comienzo del Gran Colisionador de Hadrones en el CERN".

En el colisionador LHC, los físicos pueden estudiar colisiones entre protones a muy altas energías, que promueven la producción de numerosas partículas pesadas y doblemente pesadas. En 2011 y 2012, la colaboración LHCb analizó una pequeña fracción de los datos recopilados en el LHC y encontró que la probabilidad de la producción simultánea de dos pares de quarks encanto-antiencanto a estas altas energías estaba lejos de ser baja, lo que sugiere que el colisionador podría permitir la observación de objetos pesados ​​dobles.

"Con más datos, en 2017 la colaboración LHCb reportó una observación del barión de doble encanto Ξ_cc ⁺⁺ que consiste en los dos quarks charm y el quark u ligero", explicó Belyaev. "Con esta observación quedó claro que si existen tetraquarks charm dobles, su observación sería solo cuestión de tiempo".

Siguiendo la observación del LHCb del barión de doble encanto Ξ_cc ⁺⁺ , M.Karliner y J.Rosner pudieron usar sus propiedades medidas para predecir con precisión las propiedades que tendría un tetraquark hipotético. Tal tetraquark consistiría en dos quarks charm, un antiquark u y un antiquark d. La partícula teórica se denominó T_cc ⁺ .

"Las propiedades predichas del T_cc ⁺ tetraquark implica que la partícula se exhibirá como un pico estrecho en la distribución de masa para el par de mesones encantados D ^*+ y D ⁰ , donde D ^*+ y D ⁰ son mesones encantados convencionales que consisten en (quark charm y anti-quark d) y (quark charm y anti-u-quark)", dijo Belyaev. "Es interesante notar que la masa predicha del T_cc ⁺ el tetraquark está muy cerca de la suma de masas del D ^*+ y D ⁰ mesones, lo que también significa que si la masa será solo un 1% más baja que el valor predicho, las propiedades del T_cc ⁺ será muy diferente y no será visible en la D ^*+ y D ⁰ espectro de masas Si la masa será solo un 5 % más alta, el pico será ancho (o incluso muy ancho) y será muy difícil, casi imposible, observarlo experimentalmente".

Esencialmente, el trabajo de M. Karliner y J. Rosner señaló las condiciones exactas que serían adecuadas para observar la hipotética T_cc ⁺ tetraquark. Sus predicciones fueron, en última instancia, lo que guió el trabajo reciente de la colaboración LHCb.

En su estudio, la colaboración estudió cuidadosamente el espectro de masas de D ^*+ y D ⁰ pares de mesones, utilizando un conjunto de datos que contiene todos los datos acumulados en el colisionador LHC desde 2011 hasta 2018. En su análisis anterior, realizado en 2012, los investigadores utilizaron solo el 4% de los datos disponibles en la actualidad para estudiar la región de las masas relativamente grandes de D ^*+ y D ⁰ parejas.

En su nuevo análisis, se centraron específicamente en la región de masas que está más cerca de la suma de D ^*+ y D ⁰ masas de mesones. En esta región, observaron más de cien señales T_cc ⁺ tetraquarks que forman un pico sorprendentemente estrecho muy cercano a la suma de D ^*+ y D ⁰ masas de mesones con un significado estadístico abrumador.

"La importancia estadística que observamos es tan alta que excluye totalmente que la señal observada sea una fluctuación estadística", explicó Belyaev. "Desde la D ^*+ el mesón consta de un quark charm y un quark anti-d, y D ⁰ El mesón consta de quark charm y anti-u-quark, fija el contenido mínimo de quarks que se observan como dos charm quarks, anti-d-quar y anti-u-quark".

La colaboración LHCb luego realizó numerosas pruebas para validar sus resultados. Todas estas pruebas confirmaron que la señal que observaron estaba asociada con un T_cc ⁺ tetraquark. Finalmente, midieron la masa del T_cc ⁺ tetraquark y el ancho de su pico.

"Según las leyes de la mecánica cuántica, el ancho del pico está relacionado con el tiempo de vida inverso de la partícula, y encontramos que el ancho corresponde a un tiempo de vida muy largo, uno de los más grandes para las partículas que se desintegran debido a las fuertes interacciones. y el más largo de todos los hadrones exóticos encontrados hasta ahora", dijo Belyaev. "En cierto sentido, T_cc ⁺ es Matusalén de los exóticos hadrones".

Los investigadores han realizado recientemente un estudio de seguimiento, presentado en Nature Communications , explorando más a fondo las propiedades del T_cc ⁺ partícula. En este artículo, demostraron que el patrón de decaimiento es consistente con T_cc ⁺ →(D ^*+ →D ⁰ π ⁺ )D ⁰ . También comprobaron la distribución de la masa de D ⁰ D ⁰ y D ⁺ D ⁰ pares y encontró que las mejoras en estos espectros son muy consistentes con los decaimientos T_cc ⁺ →(D ^*+ →D ⁰ π ⁺ )D ⁰ faltando π ⁺ mesón y T_cc ⁺ →(D ^*+ →D ⁺ π ⁰ /γ)D ⁰ faltando π ⁰ /γ.

"Aún no hemos medido los números cuánticos del T_cc ⁺ partículas directamente, pero ofrecimos fuertes argumentos en apoyo del espín total J y la paridad P de la partícula observada, que son los números cuánticos más importantes, son J ^P =1 ⁺ , en perfecto acuerdo con las expectativas", dijo Belyaev. "Para investigar otro número cuántico importante, el isospín, hemos estudiado espectros de masas para el D ⁰ D ⁰ , D ⁺ D ⁰ , D ⁺ D ⁺ , D ⁺ D ^*+ pares, en busca de posibles contribuciones de los socios hipotéticos de isospín. No encontraron signos que sugirieran que el isospín de la T_cc recién observada ⁺ state es 0, de acuerdo con las predicciones".

El T_cc ⁺ el tetraquark observado por la colaboración LHCb podría tener al menos dos estructuras internas diferentes. Por ejemplo, podría tener una "estructura de tipo molecular", donde dos quarks charm están separados por una gran distancia, comparable al tamaño del núcleo atómico, una "estructura compacta", donde la distancia entre los dos quarks charm es significativamente más pequeño, o una combinación de los dos.

En su reciente artículo de seguimiento, el equipo usó un modelo sofisticado para determinar cuál podría ser esta estructura y midió las propiedades fundamentales de la T_cc ⁺ estado, incluida la longitud de dispersión, el rango efectivo y la posición del polo, que son importantes cuando se trata de determinar la estructura interna de una partícula. Los valores medidos por los investigadores son compatibles con una estructura de tipo molecular, pero esto aún no se ha confirmado.

La observación de la colaboración LHCb del T_cc ⁺ tetraquark es una contribución significativa al campo de la física de partículas y alta energía. De hecho, ya ha provocado importantes debates teóricos sobre la naturaleza de T_cc ⁺ , estados de tipo molecular relacionados, como el enigmático X(3872), y el problema general con la existencia de los "tetraquarks compactos".

En sus estudios futuros, la colaboración planea intentar determinar directamente los números cuánticos del nuevo estado, ya que hasta ahora solo obtuvieron evidencia sólida pero indirecta de ellos.

"Es muy importante entender el mecanismo de producción de la T_cc ⁺ estado en la colisión protón-protón", agregó Belyaev. "Actualmente tenemos algunas observaciones contrarias a la intuición:algunas distribuciones, como el momento transversal y la multiplicidad de pistas, son realmente desconcertantes y se necesitan más datos para la resolución. Será muy interesante comparar la producción del T_cc ⁺ y Ξ_cc ⁺⁺ partículas:aquí se espera un cierto nivel de similitud, pero también para comparar las propiedades, incluidas las propiedades de producción, del T_cc ⁺⁺ partícula y una enigmática partícula X(3872). + Explore más

LHCb descubre tres nuevas partículas exóticas:el pentaquark y el primer par de tetraquarks

© 2022 Red Ciencia X