Un mesón de cuatro quarks desafía la fisica y los físicos

Un mesón de cuatro quarks desafía la física y los físicos

Los físicos del experimento Belle del KEK Laboratory en Japón descubrieron un curioso mesón bautizado Z(4430). Según algunos, se trataría de una partícula compuesta de cuatro quarks.

Los físicos del experimento Belle del KEK laboratory en Japón descubrieron un curioso mesón bautizado Z (4430). Según algunos, se trataría de una partícula compuesta de cuatro quarks. Tal cosa parece imposible o casi en el marco de la teoría de la cromodinámica cuántica.

Desde su introducción en el mundo de la física de las partículas al principio de los años 1960 por Gell-Mann, Ne’eman y Zweig, los quarks no han dejado de intrigar a los físicos por su comportamiento anormal respecto al de otras partículas elementales. Sin embargo, la teoría de las interacciones fuertes que dominaban el mundo de los hadrones construida con ellos, se mostró particularmente perfecta para describir experimentos en los aceleradores.

No obstante, las ecuaciones de la QCD (cromodinámica cuántica) que describen los intercambios de gluones entre los quarks, y son responsables de la estructura compuesta de los protones y de los neutrones, son notoriamente difíciles de resolver a causa de su estructura no lineal. Lo que hace que no siempre se comprenda muy bien por qué los quarks quedan confinados en los hadrones, aunque se ha progresado mucho desde finales de los años 1960, es casi siempre imposible predecir la masa de los protones y de los neutrones sin utilizar ordenadores.

A pesar de todo, la teoría implica de modo bastante sólido que los quarks pueden unirse sólo por pares de partícula-antiparticula, para formar mesones, y por tres para formar bariones.

Tres ejemplos de mesones formados por un quark y por un antiquark designado por una barra sobre la parte superior.© KEK Laboratory

Fué pues con una cierta sorpresa que los experimentadores ocupados en analizar los productos de las reacciones de colisiones entre electrones y positrones, con el experimento BaBar del Stanford Linear Accelerator Center y Belle en el KEK Laboratory, descubrieron importantes indicadores de la presencia de mesones constituidos por cuatro quarks.

¿Un estado excitado del charmonium?

De buenas a primeras, esto no parecía la explicación más plausible. En efecto, los mesones, como los bariones, siendo compuestos a ejemplo de los átomos, poseen niveles de energía y pueden encontrarse en un estado excitado. La primera hipótesis presentada era pues que precisamente en presencia de este fenómeno con un mesón en estado de reposo y llamado aún charmonium porque está compuesto por un quark en reposo y por un antiquark en reposos (el reposo designa un estado cuántico análogo al espín para este tipo de quark), lo encontramos justamente en estado de desintegración de uno de los mesones inestables que podían interpretarse como constituido por 4 quarks.

Las colisiones electrón-positrón producen numerosos tipos de partículas que se desintegran según diferentes modos en cadena. Aquí un mesón excelente (B) se desintegra en Z (4430) y él mismo da un charmonium también llamado mesón J/psi.© KEK Laboratory

¡Ocurre entonces, que el méson Z (4430) hoy descubierto está cargado mientras que el charmonium es neutro! Parece pues difícil de creer que se trata de un estado de excitación. Además, Z (4430) se desintegra en charmonium y en un mesón ? (PI) cargado. Estamos pues en presencia de un candidato mesón con cuatro quarks que parece muy discernible de un estado excitado del charmonium al contrario que el otro mesón: el X(3872).

No todos los físicos están todavía convencidos y algunos piensan que son necesarios aún nuevos experimentos. En efecto, si la existencia de un mesón con cuatro quarks se confirmara, habría que reexaminar las ecuaciones de la QCD, si no la teoría de las interacciones nucleares fuertes en si misma.

La prueba de la existencia de Z(4430) con una resonancia en el índice de producción a 4430 de MeV.© KEK Laboratory

Para saber más

En física de partículas, un mesón (del griego antiguo ????? (mesos) = medio) es un bosón que responde a la interacción fuerte, esto es, un hadrón con un espín entero. En el modelo estándar, los mesones son partículas compuestas de un número par de quarks y antiquarks. Se cree que todos los mesones conocidos consisten en un par quark-antiquark, los así llamados quarks de valencia, más un “mar” de pares quark-antiquark y gluones virtuales. Está en progreso la búsqueda de mesones exóticos que tienen constituyentes diferentes. Los quarks de valencia pueden existir en una superposición de estados de sabor (física); por ejemplo, el pión neutro no es ni un par arriba-antiarriba ni un par abajo-antiabajo, sino una superposición cuántica igual de ambos. Los mesones pseudoescalares (con espín 0) tienen la menor energía en reposo, donde el quark y antiquark tienen espines opuestos, y luego el mesón vectorial (con espín 1), donde el quark y antiquark tienen espines paralelos. Ambos vienen en versiones de mayor energía donde el espín queda aumentado por el momento angular orbital. Todos los mesones son inestables.

Los mesones fueron predichos originalmente como portadores de la fuerza que une al protón y al neutrón, de ahí su nombre. Cuando fue descubierto, el muón se identificó con esta familia de masa similar y fue bautizado como “mesón mu”, sin embargo no mostró una atracción fuerte a la matería nuclear y es en realidad un leptón. El pión fue el primer mesón verdadero en ser descubierto.

En 1949 Hideki Yukawa fue galardonado con el Premio Nobel de física por predecir la existencia del mesón. Originalmente lo llamo “mesontrón”, pero fue corregido por Werner Heisenberg (su padre fue profesor en griego de la Universidad de Munich), quien indicó que no había un “tr” en la palabra griega “mesos”.

Fuente