Los físicos acaban de encontrar cuatro nuevas partículas subatómicas que pueden poner a prueba las leyes de la naturaleza

Este mes es un momento de celebración. CERN acaba de anunciar el descubrimiento de cuatro nuevas partículas en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en Ginebra.

Esto significa que el LHC ahora ha encontrado un total de 59 nuevas partículas, Además de Bosón de Higgs ganador del Premio Nobel, desde que comenzó a colisionar protones, partículas que forman el núcleo atómico junto con los neutrones, en 2009.

Es emocionante, mientras que algunas de estas nuevas partículas se esperaban basadas en nuestras teorías establecidas, algunas fueron totalmente más sorprendentes.

El objetivo del LHC es explorar la estructura de la materia a las distancias más cortas y a las energías más altas jamás probadas en el laboratorio, probando nuestra mejor teoría actual de la naturaleza: el Modelo Estándar de Física de Partículas. Y el LHC entregó los productos: permitió a los científicos para descubrir el bosón de Higgs, la última pieza que falta en el modelo. Dicho esto, la teoría aún está lejos de ser entendida por completo.

Una de sus características más problemáticas es la descripción de la fuerza fuerte que mantiene unido el núcleo atómico. El núcleo está compuesto por protones y neutrones, que a su vez están compuestos por tres partículas diminutas llamadas quarks (hay seis tipos diferentes de quarks: arriba, abajo, encanto, extraño, superior e inferior).

Si apagáramos la fuerza fuerte por un segundo, toda la materia se desintegraría inmediatamente en una sopa de quarks sueltos, un estado que existió por un momento fugaz al comienzo del universo.

No nos malinterpretes: la teoría de la interacción fuerte, llamada pretenciosamente «cromodinámica cuántica«, tiene una base sólida. Describe cómo los quarks interactúan a través de la fuerza fuerte intercambiando partículas llamadas gluones. Puede pensar en los gluones como análogos del fotón más familiar, la partícula de luz y portador de la fuerza electromagnética.

Sin embargo, la forma en que los gluones interactúan con los quarks hace que la fuerza fuerte se comporte de manera muy diferente al electromagnetismo. Mientras que la fuerza electromagnética se debilita a medida que separa dos partículas cargadas, la fuerza fuerte en realidad se vuelve más fuerte cuando separa dos quarks.

Como resultado, los quarks quedan atrapados para siempre dentro de partículas llamadas hadrones, partículas compuestas por dos o más quarks, que incluyen protones y neutrones. A menos que, por supuesto, los abra a velocidades increíbles, como lo estamos haciendo en el CERN.

Para complicar aún más las cosas, todas las partículas en el modelo estandar tiene antipartículas que son casi idénticos a ellos mismos, pero con la carga opuesta (u otra propiedad cuántica). Si extrae un quark de un protón, la fuerza terminará siendo lo suficientemente fuerte como para crear un par quark-antiquark, con el quark recién creado yendo al protón.

Terminas con un protón y un nuevo «mesón», una partícula formada por un quark y un antiquark. Esto puede parecer extraño, pero de acuerdo con la mecánica cuántica, que gobierna el universo en la más pequeña de las escalas, las partículas pueden emerger del espacio vacío.

Esto fue mostrado repetidamente por experimentos – Nunca hemos visto un quark solitario. Una característica desagradable de la teoría de la fuerza fuerte es que los cálculos de lo que sería un proceso simple en electromagnetismo pueden terminar siendo increíblemente complicados. Por lo tanto, no podemos (todavía) probar teóricamente que los quarks no pueden existir por sí mismos.

Peor aún, ni siquiera podemos calcular qué combinaciones de quarks serían viables en la naturaleza y cuáles no.

Ilustración de un tetraquark. (CERN)

Cuando se descubrieron los quarks por primera vez, los científicos se dieron cuenta de que, en teoría, deberían ser posibles varias combinaciones. Esto incluyó pares de quarks y antiquarks (mesones); tres quarks (bariones); tres antiquarks (antibáriones); dos quarks y dos antiquarks (tetraquarks); y cuatro quarks y un antiquark (pentaquarks), siempre que el número de quarks menos antiquarks en cada combinación sea un múltiplo de tres.

Durante mucho tiempo, solo se han visto en experimentos bariones y mesones. Pero en 2003, el experimento Belle en Japón descubrió una partícula que no encajaba en ningún lado. Terminó siendo el primero de una larga serie de tetraquarks.

En 2015, el experimento LHCb en el LHC descubrió dos pentaquarks.

Las cuatro nuevas partículas que descubrimos recientemente son todos tetraquarks con un par de quarks de encanto y otros dos quarks. Todos estos objetos son partículas de la misma manera que el protón y el neutrón son partículas. Pero no son partículas fundamentales: los quarks y los electrones son los verdaderos bloques de construcción de la materia.

¿El pentaquark está fuertemente adherido (arriba) o débilmente (vea la imagen a continuación)? (CERN)

Encantadoras partículas nuevas

El LHC ya ha descubierto 59 nuevos hadrones. Esto incluye los tetraquarks descubiertos más recientemente, pero también nuevos mesones y bariones. Todas estas nuevas partículas contienen quarks pesados, como «encanto» y «fondo».

Es interesante estudiar estos hadrones. Nos dicen lo que la naturaleza considera aceptable como una combinación limitada de quarks, aunque solo sea por períodos muy cortos.

También nos dicen lo que no le gusta a la naturaleza. Por ejemplo, ¿por qué todos los tetraquarks y pentaquarks contienen un par de quarks encantadores (con una excepción)? ¿Y por qué no hay partículas que coincidan con quarks extraños? Actualmente no hay explicación.

¿Es el pentaquark una molécula? Un mesón (izquierda) que interactúa con un protón (derecha). (CERN)

Otro misterio es cómo estas partículas están unidas por la fuerza fuerte. Una escuela de teóricos los considera objetos compactos, como el protón o el neutrón.

Otros afirman que son similares a las «moléculas» formadas por dos hadrones débilmente unidos. Cada hadrón recién descubierto permite experimentos para medir su masa y otras propiedades, lo que nos dice algo sobre cómo se comporta la fuerza fuerte. Esto ayuda a cerrar la brecha entre el experimento y la teoría. Cuantos más hadrones podamos encontrar, mejor podremos ajustar los modelos a los hechos experimentales.

Estos modelos son cruciales para lograr el objetivo final del LHC: encontrar la física más allá del modelo estándar. A pesar de sus éxitos, el modelo estándar ciertamente no es la última palabra para comprender las partículas. Es por ejemplo inconsistente con los modelos cosmológicos describiendo la formación del universo.

El LHC está buscando nuevas partículas fundamentales que puedan explicar estas discrepancias. Estas partículas pueden ser visibles en el LHC, pero ocultas en la parte inferior de las interacciones de las partículas. O pueden aparecer como pequeños efectos de la mecánica cuántica en procesos conocidos.

En ambos casos, se necesita una mejor comprensión de la fuerza fuerte para encontrarlos. Con cada nuevo hadrón, mejoramos nuestro conocimiento de las leyes de la naturaleza, lo que nos lleva a una mejor descripción de las propiedades más fundamentales de la materia.

Patrick Koppenburg, Investigador en física de partículas, Instituto Nacional Holandés de Física Subatómica y Harry Cliff, Físico de partículas, Universidad de Cambridge.

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