Descubierto recientemente, se discute si es una nueva partícula

El pentaquark fue descubierto en julio pasado por el experimento LHCb, del CERN, y anunciado el dia 14. Es la unión de un barión y un mesón. Pero antes ha sido necesario duplicar la potencia del LHC hasta 13TeV (3 junio 2015). Se discute si es una nueva partícula.

Los científicos del mayor acelerador de partículas mundial anuncian el hallazgo de una nueva molécula, cuya existencia fue predicha hace unos 50 años, compuesta por 5 partículas-quarks elementales. Toda la materia que conocemos se organiza a nivel subatómico de diferentes maneras. Los protones y neutrones están formados por 3 quarks.

Otro tipo de ensamblaje es el de los mesones, formados por pares de quarks, hechos de materia y antimateria. El experimento LHCb ha permitido encontrar una nueva variante formada por 4 quarks convencionales y un antiquark, hecho de antimateria: 2 quarks up (arriba), un quark down (abajo), un quark charm (encanto) y su anti-partícula el anti charm. Es un hadrón formado por 5 quarks. Desde hace 5 meses los del CERN se encontraron con datos, que apuntaban a la existencia de una nueva partícula, o compuesto. Los datos del pentaquark han sido publicados por Physical Review letters.

El primero en proponer la existencia de mesones y bariones, hace 50 años, fue Murray Gell-Mann, lo que le valió el premio Nobel de Física 1969. La materia ordinaria está compuesta de protones y neutrones, de los que estamos hechos, dice Guy Wilkinson, del CERN. Probablemente, añade, no haya un solo tipo de pentaquark, sino varios, y ahora toca buscarlos durante la presente ronda de experimentos en el LHC. El afirma que el pentaquark no es una nueva partícula, sino una forma de agregar quarks. Es una resonancia exótica de vida corta, con trayectoria circular, una partícula resonante, que a continuación se desintegra.

Es la única partícula fundamental, que interactúa con las 4 grandes fuerzas fundamentales del Universo. Se parecen a los gluones en peso y tamaño. Son partículas de espín ½, o sea, son fermiones. Forman junto a los leptones la materia visible. Hay 6 tipos distintos de quarks:

• Up (arriba)
• Down (abajo)
• Charm (encanto)
• Strange (extraño)
• Top (cima)
• Bottom (fondo)

Además hay los correspondientes anti-quark. Los quarks extraño, encanto, fondo y cima son muy inestables, pero los fisicos pueden recrearlos. Los arriba y abajo se mantienen, y se distinguen por su carga eléctrica. No hay quarks aislados, sino que forman parte de los mesones y bariones (los hadrones).En el siglo XIX con el éxito de la teoría atómica llegamos a creer que los átomos eran los constituyentes últimos de la materia, nos equivocamos, son los quarks.

El átomo está formado por un núcleo y una nube electrónica, muones y neutrinos, y el núcleo a su vez, está formado por protones y neutrones, y estos, a su vez, por quarks.

El objetivo más preciado del CERN es encontrar una física más allá del modelo estándar, que describe las leyes físicas que gobiernan la energía y la materia conocida. El nuevo hallazgo no llega a tanto, aunque es de gran importancia. El modelo de quarks propuesto hace 50 años no excluye la posibilidad de que existan compuestos formados por más de 3 quarks. Pero estos hadrones exóticos empezaron a dar muestras de existencia hasta hace pocos años. El pentaquark ha sido descubierto observando los productos de colisiones entre bariones y viendo las partículas resultantes. Así han desvelado la existencia de estados intermedios de la materia, que indican la existencia de una nueva molécula.

Con el LHC colabora un grupo de la Universidad de Santiago de Compostela, otro de la Universidad Ramón Llull, la Universidad de Barcelona y el Instituto de Física Corpuscular IFIC, CSIC y la Universidad de Valencia. Para Juan Saborido, investigador, el descubrimiento del pentaquark no implica física más allá del modelo Estándar, pero es un hallazgo muy importante para entender la estructura de los hadrones. Ahora el gran misterio es cómo se sostiene el pentaquark, cómo están unidos sus 5 componentes con fuerza fuerte o débil, o bien es el producto de la unión de un barión y un mesón. El mismo LHCb en abril 2014 demostró que la partícula Z está compuesta por 4 quarks.

El pentaquark es un modo de agrupar los quarks, los constituyentes fundamentales de protones y neutrones, de una forma nunca vista en tantos años de experimentación. Nuestro conocimiento de la estructura de la materia cambió radicalmente en 1964, cuando Murray Gell Mann propuso que el tipo de partículas conocidas como bariones (protones y neutrones) está compuesto por 3 objetos de carga eléctrica fraccionaria, llamados quarks. Y que el otro tipo: los mesones, están formados por pares de quarks y antiquarks. El pentaquark es un estado ligado, cuyo contenido de quarks es de 5.Como si un mesón (2 quarks) y un barión (3 quarks) pudieran formar un estado ligado. Un simil es la molécula formada por distintos átomos.

Los investigadores de LHCb han examinado la desintegración del barión Lambda b en 3 partículas: J-psi, un protón y un kaón con carga eléctrica. El estudio del espectro de masas de las 2 primeras partículas J-psi y un protón reveló la existencia de estados intermedios, que sugieren el pentaquark.

Las colisiones a 13TeV de hadrones producirá resultados, para esclarecer la física del pentaquark.Nuestros conocimientos del pentaquark son fragmentarios, necesitamos que el LHC continue observándolos.

• Rincon, P. Large hadron collider discovers new pentaquark particle. bbc.com, 15 july 2015.
• Gribbin, J. Richard Feymann: A life in Science. Dutton 1097, pg.194.
• Cheshkov, K. Heavy ions. Cern Courrier Vol.54 N.2. March 2014.
• Kirsh, K. Physics at the low energy, high precision frontier. CERN Courier Vol 54, N2, March 2014.
• Amsler, H. Antigravity matters at WAG 2013. CERN Courier Vol 54 N2 March 2014.