En un artículo reciente, publicado en Physical Review Letters , la Colaboración CMS informó sobre tres estructuras exóticas de quarks totalmente pesados. Estas estructuras, que parecen ser parte de una familia común, podrían abrir nuevas e interesantes vías para la investigación en física de partículas.

"Prácticamente todo lo que experimentamos en nuestra vida diaria se compone de tres partículas:electrones, protones y neutrones", dijo a Phys.org el profesor Kai Yi de la Universidad Normal de Nanjing y la Universidad de Tsinghua, coautor del artículo. . "Los electrones, hasta donde sabemos, son fundamentales, pero los otros dos están formados por tripletes de cosas llamadas quarks. El modelo de partículas de los quarks fue propuesto en 1964, y a principios de la década de 1970 había pruebas convincentes de su exactitud".

El modelo introducido en 1964 describe los quarks como partículas estrechamente unidas, tan fuertemente conectadas que no pueden existir por sí solas y, en cambio, se observan sólo como tripletes de quarks unidos (qqq) o quark-antiquark (qq ^- ) dobletes. Los físicos han identificado una gran cantidad de estos sistemas de quarks estrechamente vinculados, también conocidos como "hadrones".

"Existe una gran cantidad de estos sistemas de quarks, pero, aparte del protón y el neutrón, sólo tienen una existencia fugaz", explicó el profesor Yi. "La teoría de los quarks de 1964 tenía un vacío legal:tal vez, sólo tal vez, los cuartetos y quintetos de quarks también podrían formar partículas, a las que se hace referencia como hadrones 'exóticos'. Los físicos jugaron con esta posibilidad durante décadas, pero era una especie de margen". actividad."

Durante mucho tiempo, la observación de hadrones exóticos pareció ser un objetivo de investigación desafiante y difícil de alcanzar. Una razón para esto es que las herramientas experimentales disponibles sólo permitieron a los físicos buscar sistemas exóticos que estén completamente compuestos por quarks ligeros (u, d, s), que son difíciles de distinguir de los hadrones normales.

"A medida que se dispuso de colisionadores de partículas más potentes, los sistemas que incorporaban quarks (c, b) más pesados ​​se hicieron cada vez más visibles, y cuanto más pesados ​​eran los quarks, y cuantos más había, más fácil se volvía la comprensión del sistema", dijo el profesor Yi. "Un solo quark charm (c) tiene una masa aproximadamente una vez y media la de un protón, y un quark bottom (b) es aproximadamente cinco veces más pesado que un protón, mientras que los quarks u y d individuales son menos que aproximadamente el 0,5% de la masa de un protón."

En 2003, un artículo de Belle Collaboration en Japón despertó un nuevo interés en los sistemas exóticos al revelar X (3872), que se propuso como un posible cc ^- qq ^- sistema (es decir, un sistema que contiene dos quarks pesados). Esto allanó el camino para nuevos estudios que introdujeran otros candidatos a hadrones exóticos que contienen charm e incluso quarks bottom, insinuando la existencia de sistemas tetra y pentaquark.

A pesar de estos esfuerzos, la estructura interna de los hadrones exóticos sigue siendo un misterio, ya que los sistemas reportados incluyen quarks ligeros y, por lo tanto, son inherentemente difíciles de modelar. La observación de sistemas formados únicamente por quarks pesados ​​podría abrir una nueva ventana a estructuras exóticas, permitiendo a los físicos comprender mejor las fuertes interacciones entre quarks.

"El problema con los quarks pesados ​​es que son difíciles de producir", afirmó el profesor Yi. "Un paso en esta dirección es encontrar sistemas en los que los quarks u o d sean reemplazados por el quark s. Aunque todavía se considera un quark ligero, el quark s tiene aproximadamente 40 veces la masa de un quark u. En 2009, esto se logró con el descubrimiento de Y(4140), ahora llamado chi_c(4140), que es candidato a cc ^- ss ^- tetraquark (es decir, el primer candidato exótico sin ninguno de los quarks ligeros (u, d))".

El descubrimiento de chi_c(4140) animó a más equipos de investigación a buscar estructuras compuestas exclusivamente por quarks cy d. Después de que se confirmó la existencia de este sistema, CMS también comenzó a buscar sistemas que se desintegren en pares de partículas J/psi o pares de partículas Upsilon.

"El J/psi es cc ^- estado ligado, el Upsilon a bb ^- estado, y por lo tanto algo que se descomponga en estos pares de partículas sería un candidato sorprendente para un tetraquark totalmente pesado", dijo el profesor Yi. "Utilizando datos recopilados en 2011 y 2012 como parte del LHC Run I, CMS encontró una pista de dos estructuras J/psi-J/psi, pero no había datos suficientes para hacer una afirmación convincente en ese momento."

En 2019, la colaboración CMS reanudó su búsqueda de sistemas de quarks totalmente pesados ​​que se desintegran en pares de partículas J/psi o Upsilon, esta vez utilizando los datos recopilados en el LHC del CERN entre 2016 y 2018 (Ejecución II). Sin embargo, la primera de estas partículas, denominada X(6900), fue finalmente observada por otro esfuerzo de investigación en el CERN, concretamente el experimento LHCb.

"El experimento LHCb fue el primero en salir con su informe de que X(6900) decae a J/psi-J/psi en 2020", dijo el profesor Yi. "Sin embargo, CMS continuó su trabajo y finalmente fuimos recompensados ​​al identificar tres estructuras J/psi-J/psi:confirmando X(6900) e informando dos nuevas, denominadas X(6600) y X(7100)".

Como parte de este estudio más reciente, el equipo de CMS buscó específicamente pares de mesones J/Psi. Estas partículas son una poderosa sonda para sistemas de quarks totalmente pesados, ya que pueden identificarse claramente dentro del colisionador LHC, donde el entorno es complejo y está marcado por colisiones p-p de alta intensidad.

"Para este estudio, el equipo de análisis diseñó una estrategia de búsqueda en la Ejecución II basada en la información de la Ejecución I sin mirar realmente los datos. Este enfoque, llamado análisis 'ciego', es muy eficaz para evitar posibles sesgos, como engañarse a uno mismo aparentemente encontrando lo que uno cree que debe o quiere encontrar. Las tres estructuras surgieron después de que finalmente se revelaron los nuevos datos", explicó el profesor Yi.

Utilizando esta estrategia de análisis ciego, el profesor Yi y sus colaboradores de CMS pudieron confirmar la existencia de la estructura detectada previamente por la colaboración del LHCb, al tiempo que revelaron dos estructuras completamente nuevas. Estas tres estructuras parecen ser parte de la misma familia de sistemas de quarks totalmente pesados.

"Aunque puede que no sea la única interpretación posible, un modelo en el que las tres estructuras interfieren mecánicamente entre sí describe muy bien los datos del CMS", afirmó el profesor Yi. "Esto requiere que los tres tengan las mismas propiedades cuánticas y sugiere además que estos estados son una familia de tetraquarks excitados".

Las tres estructuras de quarks totalmente pesados ​​reportadas por la colaboración CMS ofrecen nuevas pistas importantes sobre la naturaleza y la estructura interna de hadrones exóticos. Específicamente, señalan un nuevo régimen al que los físicos pueden aplicar la teoría de las interacciones fuertes:el régimen de la "cromodinámica cuántica".

"La CMS se está preparando ahora para mejorar sus mediciones de las propiedades de estos estados", añadió el profesor Yi. "Los nuevos datos presentan una nueva e interesante posibilidad:la de buscar posibles estados exóticos compuestos exclusivamente de quarks bottom aún más pesados".