La colaboración LHCb observa por primera vez un tetraquark doblemente cargado y su partícula neutral.

1 de septiembre de 2023 característica

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por Ingrid Fadelli, Phys.org

La observación de partículas elusivas y exóticas es el objetivo principal de innumerables estudios, ya que podría abrir nuevas avenidas para la investigación, al tiempo que mejora el conocimiento actual de la materia contenida en el universo y su física subyacente. El modelo de quarks, un modelo teórico introducido en 1964, predijo la existencia de partículas subatómicas elementales conocidas como quarks en sus diferentes configuraciones.

Quarks y antiquarks (la contraparte de antimateria de los quarks) se predice que son componentes de varias partículas subatómicas. Estas incluyen partículas "convencionales", como mesones y bariones, así como partículas más complejas compuestas por cuatro o cinco quarks (es decir, tetraquarks y pentaquarks, respectivamente).

El experimento Large Hadron Collider beauty (LHCb), un esfuerzo de investigación que involucra a un gran grupo de investigadores en diferentes institutos de todo el mundo, ha estado tratando de observar algunas de estas fascinantes partículas durante más de una década, utilizando datos recopilados en el colisionador de partículas LHC de CERN en Suiza. En un artículo reciente publicado en Physical Review Letters, informaron la primera observación de un tetraquark doblemente cargado y su pareja neutra.

"En la última década, el experimento LHCb ha realizado un trabajo pionero en el descubrimiento de lo que se llaman partículas exóticas", dijo Yasmine Sara Amhis, coordinadora de física del experimento LHCb, a Phys.org. "El LHCb descubrió el primer pentaquark en 2015, y esto abrió el camino a muchos otros hallazgos. El objetivo principal de la investigación del LHCb sobre partículas exóticas es descubrir qué tetraquarks y pentaquarks existen y mapear sus propiedades, especialmente descubrir en qué otras partículas se descomponen y sus números cuánticos".

Actualmente, existen varios modelos fenomenológicos diferentes que describen tetraquarks y pentaquarks, particularmente prediciendo cómo los quarks están unidos para formar estas partículas. Al observar estas partículas y medir sus propiedades, la colaboración LHCb podría ayudar a determinar cuáles de estos modelos son correctos, al mismo tiempo que identifica discrepancias o inexactitudes.

Como parte de su estudio reciente, los investigadores analizaron datos recopilados durante las primeras dos corridas experimentales del LHC. Estos abarcaron un período de dos años, entre 2011 y 2018.

"El análisis que condujo a este descubrimiento es muy sofisticado y se puede decir que es un ejemplo de uno de los estudios más 'difíciles' realizados dentro de nuestra colaboración", explicó Amhis. "El nombre original del experimento LHCb proviene del tema histórico principal de investigación, que se centró en los b-quarks y sus productos. El par de tetraquarks que se informan en este artículo se observaron gracias a una técnica llamada análisis de amplitud. Este enfoque se basa en el comportamiento cuántico de las partículas y su capacidad para interferir entre sí".

El análisis complejo llevado a cabo por la colaboración LHCb se puede describir como un análisis combinado que se centra en las simetrías. Las simetrías son de crucial importancia en la física de partículas y desempeñan un papel importante en el llamado Modelo Estándar, la teoría guía de partículas y las fuerzas que las gobiernan.

"Las simetrías también son poderosas porque permiten derivar similitudes y relaciones entre partículas", dijo Amhis. "El isospín, la simetría que relaciona las dos partículas mencionadas en este artículo, dice que su masa y ancho deben ser iguales. Esto permite que el análisis combinado sea más sensible a las propiedades de estas partículas de lo que podría haber sido un análisis individual de cada compañero de isospín".

Hasta la fecha, la colaboración LHCb ha publicado más de 600 artículos, observando varias partículas y fenómenos físicos por primera vez. La mayoría de sus estudios confirmaron la solidez y confiabilidad del Modelo Estándar de física de partículas, pero algunos también llevaron a emocionantes nuevos descubrimientos.

'Papers like this one show that discoveries, including some unexpected ones, remain possible,' Amhis said. 'More than 70 new hadronic particles have been discovered at the LHC, by far most of them at LHCb, As we learn more about which hadrons exist and their properties, we gain new understanding of the strong force, one of the four fundamental forces in nature, which binds quarks into hadrons. This understanding in turn opens new doors in searching for physics beyond the Standard Model, by reducing theoretical uncertainties associated with such searches which are caused by an imperfect understanding of the strong force.'

The recent work by the LHCb could soon inform further theoretical and experimental studies examining the physics of tetraquarks. Meanwhile, the LHC's third data collection run has begun, and the collaboration has significantly upgraded its equipment.

During this third run, the LHCb expects to collect five times more data per year compared to previous experimental runs. Their hope is that this new data will lead to more fascinating discoveries and observations.

'The improved detector is expected to gain another factor of two in the study of hadrons in particular, for a total factor of 10,' Amhis added.

'In addition, LHCb now has a much-improved system for injecting gases into the detector volume, so it can study not only proton collisions but also the collision of protons with a wide variety of nuclei. This opens yet another door to the understanding of exotic hadrons, by studying their formation in different types of collisions. In our next works, we plan to pursue all axes to gain a deeper understanding of these particles: searching for new exotic hadrons, measuring the properties of known exotic hadrons more precisely, and looking for known and new exotic hadrons in different types of collisions.'

Journal information: Physical Review Letters

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