Habemus pentaquark con papel de fumar


papelAyer wordpress decidió cercenar media entrada sobre pentaquarks en la que había escrito una explicación sobre el significado del descubrimiento que se anunció ayer en el experimento LHCb. (Aquí la ENTRADA donde se explica que es eso de un pentaquark).

Hoy se ha adelantado Francis con esta entrada:

Cuidado, LHCb ha observado una molécula hadrónica, no un pentaquark.

En esa entrada encontraréis muchas explicaciones de modelos, diagramas de Argand, anchuras y esas cosas.  Desgraciadamente no estoy de acuerdo ni con el título ni con el mensaje. ¿Por qué? Porque sí, pero voy a ser un poco más explícito retomando la discusión que ayer tuve que borrar para poder publicar la entrada.

¿Qué sabemos y qué no sabemos sobre el pentaquark?

Un pentaquark se define en términos mínimos como un sistema compuesto por 5 quarks (4 quarks y un antiquark para ser más exactos).   Fin de la historia. Como explicamos en la entrada de ayer, en el LHCb han encontrado una desintegración de una partícula que tiene un paso intermedio que necesariamente ha de contener 5 quarks.

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

La desintegración de la partícula \Lambda^0_b ha de tener un estado intermedio, lo que se llama una resonancia, compuesta por los quarks (uudc\bar{c}), donde \bar{c} indica el antiquark del c.

Esto es todo lo que dicen en el artículo escondido tras muchos datos y muchas palabrejas. Entonces, ¿es un pentaquark o no?

La respuesta es, el estado intermedio tiene un contenido de cinco quarks por lo tanto es un pentaquark.  Fin del asunto.

Ahora bien, hay cosas que no sabemos.  Por un lado no tenemos ni idea de si el pentaquark ha de ser una única partícula formada por esos cinco quarks (como el protón o el neutrón tienen tres quarks) ligados fuertemente.  Es decir, que el pentaquark sea una partícula de pleno derecho al nivel del protón.

Pc_particleLHCb

Esta es una posibilidad y es la que Francis llama “pentaquark verdadero”.

Otra posibilidad es que el sistema no sea más que la unión entre un barión (tres quarks) y un mesón (quark-antiquark) formando una “molécula” hadrónica y ligados entre ellos por un residuo de la interacción fuerte entre quarks.  En cierto sentido el barión y el mesón conservarían su individualidad, hablando muy pedestremente, y formarían un sistema compuesto.

Pc_moleculeLHCb

Esto es lo que Francis ha denominado un “Falso pentaquark”.

En realidad ni falso ni verdadero porque no tenemos ni idea de si estas agrupaciones de quarks se unen con mucha intensidad o poca. Esa distinción está bien para las discusión teórica de distintos modelos que eligen una u otra forma de ligar los cinco quarks, pero en realidad no sabemos qué opción ha tomado la naturaleza.  Tal vez puedan existir ambas, tal vez pueda existir solo la molécula, no lo sabemos.

Lo que han afirmado en el LHCb es que tenemos un estado de 5 quarks bien definido.  Eso es innegable y la estadística es muy buena y se seguirá trabajando en ella.

Lo que podemos decir, y por eso no se mojan en el artículo, es que no podemos afirmar si el pentaquark es de una clase u otra de las descritas.  Pero por eso es bueno tener uno entre manos, porque así vamos a ir saliendo de dudas de este tema que se ha prolongado por más de 50 años.

A mí, tras leer el artículo varias veces, me parece bien que no se metan en discusiones teóricas que no pueden respaldar con el experimento.  Pero, sin duda, este hecho de confirmarse abrirá todo un nuevo mundo para entender la ingrata interacción fuerte que ha traído de cabeza a los físicos desde su descubrimiento.

Modelos sobre el tema hay muchos, ahora solo hay que esperar a que el experimento dictamine.  Para mí, si tiene 5 quarks es un pentaquark. molécula o no molécula.

Así que voy a terminar esta breve entrada citando el párrafo del artículo que ha elegido también Francis:

Different binding mechanisms of pentaquark states are possible. Tight-binding was envisioned originally [2, 3]. Examples of other mechanisms include a diquark-diquarkantiquark model [33, 34], a diquark-triquark model [35], and a coupled channel model [36]. Weakly bound “molecules” of a baryon plus a meson have been also discussed [37].

Son posibles diferentes mecanismos de ligadura de los estados pentaquark. La ligadura intensa fue propuesta inicialmente [2,3].  Ejemplos de otros mecanismos incluyen un modelo diquark-diquarkantiquark [33,34], un modelo diquark-triquark [35], y un modelo de canal acoplado [36].  Moléculas débilmente ligadas de un barión más un mesón han sido también discutidas [37].

Pues eso, que ahora hay que saber qué modelo es el acertado, pero de entrada no podemos tener ninguno favorito más allá de las intuiciones y preferencias personales. Cinco quarks sobre la mesa, eso es todo lo que tenemos.

Nos seguimos leyendo…

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13 Respuestas a “Habemus pentaquark con papel de fumar

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  3. Y bien, después de todo el revuelo de esta noticia, no me puedo quedar con la noción de “se ha observado agrupación en pentaquark” y pasemos a otra cosa. Necesito saber si se han colisionados haces de protones o de protón y núcleos de plomo. En el primer caso, haces de protón, tengo dos lecturas, o existen protones exóticos formados por pentaquark, cuestión incompatible con el modelo, o me confirma que a fisica de altas energías se me permiten estas formaciones, o lo que es lo mismo, que antes de la formación de protones en el universo se precede por una etapa más energética que permite esta agrupación pentaquark u otra en la conocida como estado de plasma o “sopa de quark y gluon”, y necesito que el universo se vaya enfriando para que el pentaquark inestable y que necesita un gran energía para ser sostenido en esa estructura, pase a otra formación más estable, tal y como es la agrupación en trío para formar protones.

    • Anónima pregunta: “Necesito saber si se han colisionados haces de protones o de protón y núcleos de plomo.” Se han usado colisiones protón contra protón, unos 3/fb a 7 TeV (2011) y 8 TeV (2012).

      “En el primer caso, o existen protones exóticos formados por pentaquark, cuestión incompatible con el modelo” Los protones son hadrones (2 o 3 quarks) y los pentaquarks son hadrones exóticos (más de 3 quarks). Al colisionar dos mesones puedes producir un protón (y más cosas). Y al colisionar dos protones puedes producir un tetraquark o un pentaquark (y más cosas).

      “o me confirma que antes de la formación de protones en el universo se precede por una etapa más energética que permite esta agrupación pentaquark” La hadronización es un proceso complicado. La vida media de los tetraquark y pentaquark es tan corta que no afectan a nuestros modelos sobre el big bang.

      “u otra en la conocida como estado de plasma o “sopa de quark y gluon”” Por supuesto la materia era un plasma de quarks y gluones antes de la hadronización (un proceso muy tardío que ocurrió en el primer microsegundo). Nunca hubo un universo lleno de pentaquarks (su vida media es de unos 10 zeptosegundos).

      Saludos
      Francis

  4. Muy aclarativo el artículo.

  5. Si analizamos el pentaquark como un barión y un mesón, ¿existiría un nuevo tipo de fuerza que los enlace?

    Gracias y un saludo.

    • Lo indica en el post: están ligados por el residuo de la interacción fuerte entre quarks: (y si no me equivoco, creo que así es como también están ligados los protones y neutrones en los nucleones.)

      “Otra posibilidad es que el sistema no sea más que la unión entre un barión (tres quarks) y un mesón (quark-antiquark) formando una “molécula” hadrónica y ligados entre ellos por un residuo de la interacción fuerte entre quarks.”

      • Cierto, eso me pasa por leer rápido jejeje Gracias!

        • De nada.

          Pero el comentario entre paréntesis está mal: no es en los “nucleones” sino en el núcleo. “nucleón” es el nombre que hace referencia tanto a protones como neutrones.

          Copio referencias que indican eso y explican mejor cómo permanecen juntos en el núcleo protones y neutrones (nucleones)

          El núcleo atómico y sus modelos
          https://cuentos-cuanticos.com/2014/05/04/el-nucleo-atomico-y-sus-modelos/

          “el núcleo atómico es un sistema muy complejo. De hecho, un sistema cuántico complejo. Está formado por protones y neutrones. O, lo que es lo mismo, nucleones. Los protones tienen carga eléctrica positiva y los neutrones son neutros. Los nucleones tienen todos la misma masa y ésta es, aproximadamente, igual a 1840 veces la masa del electrón. Permanecen juntos en el núcleo gracias a una fuerza de corto alcance que no depende de la carga: la fuerza nuclear.

          La fuerza nuclear es fuerte. Tan fuerte que gana en intensidad a la fuerza eléctrica. A pesar de la repulsión culombiana que existe entre los protones al tener todos carga eléctrica positiva, los núcleos pueden ser estables. Como hemos dicho antes, la fuerza nuclear no depende de la carga, pero sí de una propiedad intrínseca de las partículas llamada espín. Es de corto alcance, no se aprecia fuera del núcleo. Y se satura, lo que tiene como consecuencia que la densidad nuclear sea casi constante en todos los elementos de la tabla periódica.”

          “Además, la fuerza nuclear puede ser atractiva o repulsiva. A distancias del orden de 1 fm es atractiva, pero a distancias del orden de 0,5 fm es repulsiva.”

          Nucleón
          https://es.wikipedia.org/wiki/Nucle%C3%B3n

          “En física nuclear, un nucleón corresponde al nombre colectivo para dos partículas: el neutrón y el protón (ambas formadas por quarks de primera generación, los más ligeros). Los nucleones son dos de los constituyentes del núcleo atómico, que también contendría piones portadores de la interacción que mantiene unidos a los nucleones.”

          Ante la duda ¿fuerza nuclear e Interacción nuclear fuerte?

          Interacción nuclear fuerte
          https://es.wikipedia.org/wiki/Interacci%C3%B3n_nuclear_fuerte

          sección “Fuerza nuclear fuerte como fuerza residual”, en donde es más específico:

          “La fuerza nuclear fuerte entre nucleones se realiza mediante piones”

  6. Querría añadir otra opción…En el mundo cuántico, las estructuras no tiene por qué ser “simples”…Me explico, … Pensad en términos de química cuántica…¿Cuál de las estructuras de Kekulé o Dewar u otras son las verdaderas? Solamente el concepto de resonancia y una precisa noción de lo que es el enlace químico en dicha molécula permite resolver la cuestión. Creo que algo similar ocurrirá con esta estructura…Las diferentes geometrías y modelos posibles con 5 quarks…¿Cuántas son? Además, creo que deberíais leer si no lo habéis hecho ya algún artículo sobre hybrids, glueballs and multiquark states en QCD…La cuestión es que, como ocurre con el plasma de Quark y Gluones, aún no entendemos muy bien la estructura de los estados posibles en QCD y sus diferentes regímenes y transiciones de fase (en el tema del plasma de quark-gluón creo que nadie entiende aún no ya el color-glass condensate sino por qué se comporta como un fluido perfecto relativista según los resultados que hay en los experimentos; temas interesantes sin duda). Yo estoy de acuerdo en que sea una molécula hadrónica o un “pentaquark verdadero”, el hecho es que hay un estado de 5 quarks, …Conceptualmente, sea el modelo que tomes, a nivel de lenguaje llano, es un pentaquark…Por supuesto, uno puede tener matices…Pero creo que hacemos mal si tratamos de visualizar partículas y estados de este porte en una forma clásica como bolitas (que sabemos NO es correcto)…

  7. Saludos, Enrique.

    Según entiendo (igual me equivoco), el pentaqueark aparece sólo en un estado intermedio en forma de partícula virtual, ¿es cierto?

    En tal caso, y si no he metido la pata hasta el fondo, no habría entonces modo empírico de determinar si se trata de un “pentaquark verdadero” o uno “falso”, ¿no?

    Un saludo y gracias por compartir tus conocimientos.

    • Hola, el estado intermedio es una resonancia que es una partícula “real” que tiene una vida media muy corta, se desintegra rápidamente. No es una partícula virtual.

      Que sea un pentaquark “verdadero” o “falso”, siguiendo con esa terminología nefasta en mi opinión, depende de la forma de las desintegraciones y del comportamiento de los productos finales. Sí se podrá determinar en algún momento.

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