El experimento CMS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN ha confirmado la existencia de una nueva partícula compuesta. Tras analizar los datos de colisiones a 7 TeV durante 2011, unos 5,3 femtobarn inversos, CMS ha descubierto con una significación estadística de más de 5 sigmas una nueva partícula, un barión llamado Xi_b*^0. Los bariones son partículas compuestas por tres quarks, como el protón y el neutrón. Los quarks que componen esta nueva partícula son un quark up, un strange y un bottom.
El Xi_b*^0 es inestable y se desintegra inmediatamente, en el mismo punto de interacción de los protones que chocan. Esto quiere decir que no se puede observar directamente, sino que hay que reconstruir la cadena de desintegraciones desde los productos finales.
Según explica Ernest Aguiló, postdoc en la Universidad de Zürich y responsable del análisis, la cadena de desintegraciones del Xi_b*^0 es muy larga, con 4 estados intermedios. Lo que ha detectado son las trazas que provienen de los productos finales, y de ahí, paso a paso, se logró identificar el estado inicial.
De entre los miles de millones de colisiones registradas por CMS en 2011 se han encontrado solo 18 colisiones en que esta partícula se ha producido. Esto da una idea de la complejidad de los análisis de física realizados con la ingente cantidad de datos obtenida en el LHC.
Ernest Aguiló se doctoró en la Universidad de Barcelona trabajando en el experimento LHCb. Posteriormente estuvo de postdoc en DZero, uno de los dos experimentos de Tevatron (el acelerador de partículas estadounidense que dejó de funcionar el año pasado), donde participó en el descubrimiento de la desintegración electrodébil del quark top (single top). Actualmente trabaja para la Universidad de Zürich en el experimento CMS.
Enlaces:
- Enlace al artículo en arXiv
- Información sobre la observación de Xi_b*^0 en la web de CMS
- Descarga la imagen, una de las 18 colisiones que muestra el barión Xi_b*^0 (jpg)
Conceptos de fisica y energia LHC CERN prof. Mario Benedetti
Mas en:
El CERN confirma una nueva partícula compuesta hallada por el LHC
Decir que un protón son tres quarks unidos entre sí por gluones es como decir que un átomo de carbono son 6 electrones, 6 protones y 6 neutrones; con esta definición se pierde mucha información sobre sus propiedades. No es cierto que el 99% de la masa de un protón la aporten los gluones y la energía cinética de los quarks; la masa de los quarks debida al bosón de Higgs aporta mucho más del 1% restante. Los cálculos exactos indican que la masa de todos los quarks de un protón contribuyen casi un octavo (1/8) de su masa (la mitad de este valor es debido a sus quarks extraños, que no son quarks de valencia). Un tercio (1/3) de la masa del protón es debida a la energía cinética y potencial de los quarks (como se mueven muy rápido dentro del protón, su radio es muy pequeño, este valor tan bajo es debido a la cancelación entre ambas contribuciones). Otro tercio (1/3) es debido a la energía cinética y potencial de los gluones. Finalmente, la anomalía de traza contribuye alrededor de un cuarto (1/4). Como siempre, los detalles técnicos requieren cierta matemática. Los físicos (aunque no sean expertos en QCD) disfrutarán del artículo de Xiangdong Ji, “QCD Analysis of the Mass Structure of the Nucleon,” Phys. Rev. Lett. 74: 1071–1074 (1995) [arXiv:hep-ph/9410274], y de las transparencias de su charla Xiangdong Ji (University of Maryland), “Gluons in the proton,” BNL Nuclear Physics Seminar, Dec. 19, 2006.
El núcleo de los átomos está formado por nucleones (N), tanto protones (p) de carga positiva (N+), como neutrones (n) sin carga eléctrica (N0). La masa de un nucleón es de 939 MeV/c², en números redondos, ya que según el PDG el protón tiene una masa de 938,272013 ± 0,000023 MeV/c², y el neutrón de 939,565346 ± 0,000023. El nucleón es una partícula compuesta y presenta estados excitados llamados resonancias de masa creciente: N(1440), N(1520), N(1535), N(1650), etc. Estas resonancias son inestables y decaen en bariones y mesones de menor masa. De hecho, el neutrón también es inestable y decae en el vacío en un protón, un electrón y un antineutrino tras unos 881,5 ± 1,5 segundos (unos 14 minutos y 42 segundos), aunque no es fácil calcular este valor y la incertidumbre podría ser mayor. El protón es estable ya que su desintegración en un electrón y un pión no ha sido observada; su vida media debe superar unos 10³² años, miles de trillones de veces la edad del universo.
Se sabe que el protón tenía que ser una partícula compuesta desde la década de los 1930 porque su momento magnético era “anómalo” (unas 2,8 veces mayor de lo esperado si fuera una partícula elemental como el electrón), algo que se confirmó a finales de los 1940 cuando se descubrieron las primeras resonancias. A finales de los 1950 nadie dudaba que el protón tenía que estar compuesto de cosas más elementales y los físicos propusieron varios modelos teóricos, pero ninguno era capaz de explicar las propiedades observadas para el nucleón. Los experimentos en el SLAC entre 1967 y 1973, en los que se exploraba el interior del protón utilizando electrones de alta energía, demostraron que el protón estaba constituido de muchas partículas más pequeñas llamadas partones por Richard Feynman. Hasta 1973, estos experimentos no demostraron de forma definitiva que los partones eran quarks, antiquarks y gluones.
Las únicas propiedades del protón que se pueden explicar utilizando solo sus tres quarks de valencia son su espín (1/2), su carga eléctrica (+1) y su hipercarga (+1), o lo que es equivalente, su isoespín (+1/2); lo mismo ocurre con el neutrón. Los gluones son neutros para la carga eléctrica y el resto de los quarks y antiquarks que constituyen el protón compensan mutuamente sus cargas eléctricas y sus hipercargas de tal forma que en promedio se comportan como si fueran neutros. Las demás propiedades del protón (su masa, su momento magnético, su polarizabilidad magnética, su momento dipolar eléctrico, su polarizabilidad eléctrica, etc.) requieren considerar su estructura en detalle; como esta estructura detallada es muy complicada, con infinidad de quarks, antiquarks y gluones, para estimar estas propiedades con precisión se requieren cálculos numéricos utilizando cromodinámica cuántica en redes o reticular (lattice QCD)…..[]