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Habemus pentaquark

fumata-blancaHoy el LHC, en su experimento LHCb, ha hecho público un resultado en el que dice haber descubierto un pentaquark.  Sinceramente, desde mis días de estudiante este tipo de descubrimiento lo he escuchado cada dos años, puede que tenga que ver con que alguno de mis profesores era especialista en el tema y estaba muy interesado en su descubrimiento.

Estoy seguro de que habrá muchas noticias y entradas de blogs al respecto, así que aquí va la mía.  En esta entrada vamos a intentar entender qué es eso de un pentaquark y por qué es tan guay haberlo encontrado con la seguridad que dicen haberlo hecho en el LHC, que sin duda alguna, de ser cierto (y yo no lo dudo) es bastante impresionante.

Pentaquark-rizando que es gerundio.

Los quarks

En el modelo estándar hay distintas caracterizaciones de las partículas. Están los bosones y los fermiones. Los bosones tienen una característica denominada espín que toma valores enteros 0,1,2, etc. Por su parte, los fermiones tienen valores semienteros del espín, 1/2, 3/2, etc.

Dentro de los fermiones tenemos dos categorías, los leptones y los quarks.  Los leptones no sienten la interacción fuerte y los quarks sí.

Los quarks vienen en tres familias, como los leptones, y tienen las siguientes características:

  • Tienen masas que van desde la más pequeña del quark up con una masa 4.5 veces superior a la del electrón hasta la mayor del quark top que él solito tiene la masa de un átomo de tungsteno completo.
  • Tienen espín como hemos dicho, todos los quarks tienen espín 1/2.
  • Tienen carga eléctrica.  Y aquí tuvimos una sorpresa, los quarks tienen cargas eléctricas, positivas y negativas, que son fracciones de la carga del electrón que hasta la fecha del descubrimiento de los quarks creíamos que era el cuanto elemental de carga eléctrica.

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Pero como hemos dicho los quarks sienten una interacción que no sienten los leptones, la interacción fuerte.  Cada interacción está asociada a una carga que es la responsable de generar y responder ante dicha interacción. Por ejemplo, para el electromagnetismo tenemos la carga eléctrica que se presenta en dos variantes, positiva y negativa, y tienen valores que son múltiplos (positivos o negativos) de la carga del electrón en valor absoluto.  Para la interacción fuerte tenemos otra carga, la carga de color.

Aquí hay que insistir en que los quarks no están coloreados, no tienen color en el sentido literal de la palabra.  A la carga que genera y siente la interacción fuerte se la denomina color porque se presenta en tres variantes que se denominan roja, verde y azul, como en el código RGB de los colores.

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La cuestión es que tenemos una carga, la carga de color, que presenta tres variantes, roja, verde y azul.  La combinación de dichas cargas, de las tres, se denomina neutra, es decir, sin color, blanca.

quark_colorsPor supuesto, cada quark, igual que cada partícula tiene asociada una antipartícula de igual masa e igual espín pero cuyas cargas son opuestas en signo.  Si un quark tiene una carga eléctrica de +1/3 su antiquark tendrá la carga eléctrica de -1/3.  Pero además de carga eléctrica tenemos la carga de color, así que un antiquark presenta también una anticarga de color.

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La combinación de los tres anticolores también nos proporciona un color blanco, neutro.

Ni que decir tiene que un color y su anticolor, si se combinan, también dan como resultado un color neutro o blanco.  Aquí tenéis todas las posibles combinaciones:

Los colores conectados por lados de un triángulo forman combinaciones neutras.  Los colores opuestos en el diagrama también proporcionan combinaciones blancas.

Los colores conectados por lados de un triángulo forman combinaciones neutras. Los colores opuestos en el diagrama también proporcionan combinaciones blancas.

El puñetero color

Una sorpresa que nos dio la interacción fuerte y la física de los quarks es que no pueden existir partículas con una carga de color distinta de la neutra. En el caso del electromagnetismo podemos tener partículas con carga positiva, negativa o neutra, no hay ningún problema.  Sin embargo, la interacción fuerte obliga a que los quarks se agrupen de tal forma que el resultado sea una carga blanca de color, una carga de color neutra.

Esto hace que los quarks y los antiquarks, que tienen carga de color o anticolor, no puedan pulular libremente.  Siempre tienen que estar en agrupaciones tales que su color sea neutro.  Las combinaciones que hemos encontrado hasta la fecha son las evidentes.  Tres quarks o tres antiquarks con tres (anti)colores distintos, los bariones, o un quark y un antiquark con su color y anticolor correspondiente, los mesones.

Combinaciones neutras de tres quarks o de un quark y un antiquark. Bariones y mesones.

Combinaciones neutras de tres quarks o de un quark y un antiquark. Bariones y mesones.

El pentaquark sin color

¿Existen otras combinaciones neutras de color para agrupaciones de quarks?

Pues pensemos un poco:

  1. Dos quarks y dos antiquarks podrían formar una combinación neutra. Estas partículas se denominan tetraquarks. Por primera vez en el LHC en abril de 2014 se vio una de estas partículas la Z(4430).
  2. Cuatro quarks y un antiquark también podría formar una combinación neutra.  Tres de esos quarks serían neutro con cada uno un color, rojo, verde o azul, y luego un quark con un color y el antiquark con el anticolor correspondiente.  Esto sería un pentaquark.

Pero claro, tres quarks y un quark-antiquark podrían ser entendidos, muy groso modo, como un barión y un mesón que se han formado en el mismo proceso y que se han medido cuando estaban compartiendo características. Desde 2002 se propuso la existencia de este estado pentaquark, pero hasta la fecha los experimentos no mostraban resultados concluyentes. El problema es que nunca se había medido, a pesar de muchos anuncios, sin ningún género de dudas, una única partícula que tuviera el contenido necesario para formar un pentaquark.  Esto es lo que han medido en el LHCb.

¿Cómo se descubre un pentaquark?

Lo que han hecho los amigos del LHCb es estudiar como se desintegra una partícula que es prima hermana del neutrón.  El neutrón está compuesto por un quark up y dos quarks down.

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La partícula que se genera en el LHCb y se estudia como se desintegra es la \Lambda_b^0.  Esta partícula tiene un quark beauty (los del LHCb lo denominan así en el artículo pero es más conocido como bottom) en lugar de un down del neutron.

Esta partícula se desintegra preferentemente en estas partículas (donde se indica el contenido quark de cada una de ellas):

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Así la partícula \Lambda_b^0 (bud) se desintegra en el mesón J/\Psi (c\bar{c}) y una partícula tipo \Lambda con quarks (sud).

Pero esta no es la única forma de desintegrarse la partícula.  Hay otra que acaba con un mesón K^+ (s\bar{u}), un protón (uud) y una J/\Psi (c\bar{c}).  Pero el estudio de estas desintegraciones conduce a que en un estado intermedio se ha debido de formar una estructura denominada P^+_c que ha de ser, necesariamente, una combinación ($latex c\bar{c},u,u,d).  Es decir, es un pentaquarks hecho y derecho.

Captura de pantalla de 2015-07-14 13:44:53

Los amigos y amigas del LHCb se han cuidado muy mucho de que esta vez la estadística, el procedimiento y el análisis estén meridianamente claros. De confirmarse este descubrimiento se abre una nueva avenida para el estudio de la interacción fuerte y el comportamiento de los quarks.

Nos seguimos leyendo…

Neutrino, what’s next? — Organizando partículas 2

Seguimos con la clasificación de las partículas elementales. Ya vimos en las entrada anterior de esta serie la clasificación establecida en términos del espín de las partículas.  Ahora nos toca clasificar las partículas bajo otro criterio, las interacciones que sienten y generan.

Para describir partículas y sus interacciones hay que recurrir a la teoría cuántica de campos.  Sin duda alguna, esta teoría es muy elaborada tanto desde el punto de vista físico como desde el punto de vista matemático.  Sin embargo, se puede entender algunas de sus particularidades sin necesidad de meternos en berengenales.  Espero ser capaz de transmitir la preciosa imagen que nos proporciona esta teoría.

Esta entrada es la continuación de:

Neutrino History, what’s next? — ¿Neutrinos?

Neutrino History, what’s next? — Organizando partículas 1

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No solo del Higgs vive la masa

Sabemos que el Higgs es el responsable de dar masa a ciertas partículas. Sin embargo, no toda la masa de las cosas que nos rodean vienen de la interacción con el Higgs.

Vamos a ver cómo gran parte de la masa de las cosas viene por efectos que no están relacionados con el Higgs.

Simetría gauge y masa

En el blog hemos discutido muchas veces que el modelo estándar se construye sobre la base de la existencia de unas simetrías que nos dan la forma de interacción de las partículas elementales, la simetría gauge.

Este principio de simetría es muy potente por dos motivos:

  1. Nos dice las cargas asociadas a cada interacción.
  2. Nos da la forma precisa de dichas interacciones.

Pero como contrapartida tenemos un problemita, las teorías gauge solo funcionan si las partículas no tienen masa.  Para una discusión sobre este tema os dejo dos entradas:

¿Qué es el Higgs?  Donde se habla de estos temas de gauge y masa.

El fotón y la masa. Donde se muestra porqué una teoría gauge impide que una partículas como el fotón, el bosón mensajero de la interacción electromagnética, no puede tener masa por cuestiones de simetría.

El mecanismo de Higgs es una forma de que las partículas (algunas de ellas) adquieran masa de forma compatible con la simetría gauge.

Lo que sabemos es que por simetría gauge ni fotones, ni los bosones de la interacción débil Z^0, W^+ y W^-, ni los gluones, etc, deberían de tener masa. Y experimentalmente sabemos que todas las partículas, excepto el fotón, tienen masa. Los bosones de la interacción débil tienen masas comparables a núcleos de elementos tan pesados como el oro.  Aquí es donde el Higgs juega su papel, según este mecanismo el campo de Higgs es capaz de acoplarse con distintos bosones mensajeros y con fermiones como el electrón, quarks y neutrinos para dotarlos de masa sin violar de forma flagrante la simetría gauge.

El protón y el neutrón

Cuando miramos un átomo está constituido por un núcleo y sus electrones orbitales.  Echando cuentas uno puede comprobar que la masa del átomo está esencialmente en su núcleo. Entre un 95% y un 99% de la masa del átomo le corresponde al núcleo.

Los núcleos están constituidos por protones y neutrones. A su vez, se sabe experimentalmente que neutrones y protones, los nucleones, están formados por quarks.

Un protón está constituido por dos quarks de tipo up y un quark de tipo down. El neutrón, a su vez, está constituido por dos quarks de tipo down y un quark de tipo up.

Esta imagen simplista nos dice que con estos tres quarks se pueden entender las propiedades básicas de los nucleones como su carga eléctrica y su espín. Pero, la realidad nos depara sorpresas.

Cuando lanzamos electrones muy energéticos contra nucleones, lo que se llama experimentos de dispersión inelástica profunda, podemos ver la estructura interna de los mismos.

Entonces encontramos este resultado al medir una cosa llamada factor de forma (que nos habla de la estructura interna de los nucleones):

Sin embargo, teóricamente esto NO CORRESPONDE con una estructura interna de solo tres quarks.  Los modelos teóricos:

Es decir, un nucleón es algo que tiene tres quarks que determinan sus propiedades tipo carga y espín. Pero además, está lleno de gluones (los que transmiten la interacción fuerte) y pares de quark/antiquark que se crean en su interior y se reabsorben.

La imagen pictórica más acertada sería algo así:

La masa de los nucleones

Si uno presupone que un nucleón solo está compuesto por tres quarks (de los tipos u y d) y supone que estas partículas se mueven dentro de los nucleones de forma no relativista (velocidades bajas) puede estimar la masa de los mismos. El resultado es que la masa de los quarks es m_q\approx 310MeV, que es aproximadamente 1/3 de la masa de los nucleones.  Pero como hemos visto, esto es incorrecto.

La interacción que importa para entender la estructura de los nucleones es la interacción fuerte. Esta interacción opera entre quarks y se considera que está mediada por gluones.

Los quarks tienen una carga que les permite interactuar entre ellos intercambiando gluones, la carga de color, que puede tomar tres valores, rojo, verde y azul. (Para una explicación de la carga de color y su aparición en escena: ¿Coloreamos?  y Extrañas estrellas extrañas)

Una diferencia esencial entre la interacción fuerte y el electromagnetismo es la siguiente:

  1. Cuando dos cargas eléctricas están mas cerca sienten mayor intensidad del campo eléctrico de la otra.
  2. Con la interacción fuerte pasa al revés, cuanto más cerca están los quarks menos intensidad de la interacción fuerte sienten. A esto se le llama libertad asintótica.
  3. Sin embargo, si intentamos separar dos quarks la intensidad aumenta tanto que no somos capaces de tener un quarks aislado. Esto se llama confinamiento.

El confinamiento de los quarks es debido a que en la naturaleza solo están permitidas conformaciones neutras de color. Para conseguir tal combinación tenemos que tener una configuración de color/anticolor o de rojo/verde/azul.

Es por eso que conocemos los mesones (quark-color/antiquark-anticolor) y los bariones (3 quarks cada uno con un color distinto).

Cuando estudiamos la interacción fuerte, la cromodinámica, encontramos una escala de energía (y por tanto de tamaños), la constante de acoplo \Lambda_{QCD}. (Para entender la relación entre energías y longitudes: Unidades Naturales).

Los quarks up y down tienen unas masas muy pequeñas comparadas con la escala de la cromodinámica:

m_q<<\Lambda_{QCD}

Esto nos indica que la masa de los quarks por si mismos, (generada por el Higgs), contribuye muy poco a la energía de un nucleón. Además, indica que los quarks dentro de los nucleones se mueven de forma relativista.

Por lo tanto, gran parte de la masa de los nucleones está generada no por el Higgs sino por la escala de energía a la que la cromodinámica nos dice que los quarks tienen libertad asintótica.

Hacer el cálculo exacto de la masa de los nucleones es muy complicado. La teoría no admite aproximaciones que simplifiquen el cálculo ya que a las energías en la que nos movemos los quarks están confinados. Esto hace que dicho cálculo sea toda una odisea técnica. Hay algunos resultados interesantes en cromodinámica cuántica en redes. En estos cálculos el espaciotiempo se sustituye por una malla en la que en los nodos están los quarks y en las uniones entre nodos aparecen los gluones.

Con estas técnicas matemáticas se ha podido calcular la masa de los nucleones con cierto éxito (aunque no es totalmente satisfactorio por el momento):

Introduciendo a mano las masas de algunas partículas hadrónicas (mesones y bariones) se ha podido predecir las masas de otras partículas.  En la figura tenemos representados los datos puestos a mano por los puntos azules, los rojos son los predichos por el cálculo en la malla y se prepresentan los errores que se introducen en el cálculo. Las líneas negras son los valores experimentales.

Así que podemos concluir que gran parte de la masa de las cosas que nos rodean no vienen de la mano del Higgs sino que hay que buscarla por las características de la interacción fuerte. Todavía nos queda mucho por aprender de la estructura de la materia.

Para ampliar información podéis bucear en el blog de Francis:

Quarks, gluones, masa.

Y este artículo de Frank Wilczek: Origin of mass

Nos seguimos leyendo…

Extrañas estrellas extrañas

Strangers in the night… taratarata… Strangers in the night… taratarata…

Nada, no me lo tengáis en cuenta, son cosas primaveriles y tal. Pero aprovechando lo extrañados que estáis todos ante la maravillosa apertura de esta entrada vamos a hablar de materia extraña y de la posibilidad de que en nuestro universo existan estrellas formadas por quarks y algunos de ellos quarks extraños. (No diréis que no está bien traído).

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¿Coloreamos?

Es de “conocimiento popular” que los quarks tienen una característica denominada color. Esta poco tiene que ver con los colores que vemos con nuestros ojos, es simplemente el nombre que se le dio (los físicos acostumbran a buscar nombres ingeniosos para sus descubrimientos) a una característica de los quarks.

En esta entrada pretendemos motivar la existencia de esta característica color. Más adelante nos introduciremos en su significado, su papel y sus propiedades, en las interacciones entre quarks.

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