El detector LHCb del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN informa del descubrimiento de una nueva clase de partículas conocidas como "pentaquarks". La colaboración internacional, en la que participa el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV), ha enviado un artículo informando de este hallazgo a la revista científica Physical Review Letters, y lo publica hoy en el repositorio digital arXiv. Otros investigadores del IFIC realizan una importante labor teórica en la búsqueda de nuevos estados formados por más de tres quarks.

"El pentaquark no es solo una nueva partícula", dijo el portavoz de LHCb Guy Wilkinson, "supone un modo de agrupar los quarks, los constituyentes fundamentales de protones y neutrones, de una forma nunca vista en más de cincuenta años de búsquedas experimentales. Estudiar sus propiedades nos permitirá entender mejor cómo se forma la materia ordinaria, los protones y neutrones que nos componen".

Nuestro conocimiento de la estructura de la materia cambió radicalmente en 1964, cuando el físico estadounidense Murray Gell-Mann, propuso que el tipo de partículas conocidas como bariones, que incluye a protones y neutrones, está compuesto por tres objetos con carga eléctrica fraccionada llamados quarks, y que otro tipo, los mesones, están formados por pares de quarks y antiquarks. Gell-Mann ganó el Premio Nobel de Física por este trabajo en 1969. 

Este modelo de quarks permite la existencia de otros estados compuestos por quarks, como los pentaquarks, formados por cuatro quarks y un antiquark (su antipartícula). Sin embargo, hasta hoy no se habían obtenido evidencias contundentes de su existencia.

“Aunque sabemos desde 1964 que existen partículas constituidas por dos o tres quarks, nada en la naturaleza que rige sus interacciones, la llamada cromodinámica cuántica, limita a que sea así, lo que ha hecho que desde entonces se hayan realizado experimentos entre cuyos objetivos ha estado la búsqueda de partículas que respondieran a otro tipo de agregados de quarks. Un esfuerzo que ha encontrado su recompensa en este hallazgo”, remarca Fernando Martínez Vidal, investigador del IFIC participante en LHCb.

“Este resultado es muy relevante para entender la constitución de estados ligados de partículas, y demuestra las posibilidades que ofrece el experimento LHCb para realizar distintos tipos de medidas y descubrimientos”, manifiesta Arantza Oyanguren, una de las investigadoras del IFIC participante en LHCb. Además, otros científicos del IFIC liderados por el catedrático de Física Teórica de la Universidad de Valencia Eulogio Oset, han realizado una importante labor teórica en la predicción de nuevos estados formados por más de tres quarks.

Los investigadores del LHCb han buscado estados de pentaquarks examinando la desintegración de un barión, llamado Lambda b, en otras tres partículas: J-psi, un protón y un kaón con carga eléctrica. El estudio del espectro de masas de las dos primeras reveló la existencia de estados intermedios en su producción. Estos se han llamado P_c(4450)⁺ y P_c(4380)⁺, el primero claramente visible en forma de pico en los datos mientras que para el segundo se requiere analizar todos los datos del experimento.

"Gracias a la gran cantidad de datos proporcionada por el LHC y a la excelente precisión de nuestro detector, hemos examinado todas las posibilidades del origen de estas señales y concluimos que solo se pueden explicar por estados de pentaquark", declaró el físico de LHCb Tomasz Skwarnicki, de la Universidad de Siracusa (EE.UU.). "Para ser precisos, los estados deben estar formados por dos quark up (arriba), un quark down (abajo), un quark charm (encanto) y su antipartícula, un anti-charm".

Otros experimentos anteriores que han buscado pentaquarks no arrojaron resultados concluyentes. Lo que diferencia a LHCb es que es capaz de buscar pentaquarks con diferentes técnicas, aunque todas apuntan a la misma conclusión. El siguiente paso será estudiar cómo los quarks se mantienen unidos en los pentaquarks.

"Los quarks podrían estar unidos fuertemente", explica el físico de LHCb Liming Zhang, de la Universidad de Tsinghua (China), "o podrían estar unidos más débilmente, en una especie de molécula de mesón-barión en la cual ambos experimentan una fuerza fuerte residual parecida a la que mantiene unidos a protones y neutrones para formar el núcleo".

Se necesitarán más estudios para distinguir entre ambas posibilidades, y para ver qué más nos pueden enseñar los pentaquarks. Los datos que recopilará el LHCb en el Run 2 del LHC recién iniciado permitirán hacer progresos en este sentido.

En la colaboración internacional del experimento LHCb, además del IFIC, participan investigadores de la Universidad de Barcelona (UB), la Universidad Ramón Llull (URL) y la Universidad de Santiago de Compostela (USC).

Más información:

"Observation of J/ψp resonances consistent with pentaquark states in Λ0b→J/ψK−p decays", arXiv:1507.03414