Los físicos de la Facultad de Artes y Ciencias de la Universidad de Syracuse han hecho historia de la ciencia al confirmar la existencia de una rara partícula de cuatro quark y al descubrir evidencia de otros tres hermanos "exóticos".
Sus hallazgos se basan en datos del Gran Colisionador de Hadrones LHC, el acelerador de partículas más grande y poderoso del mundo, ubicado en el laboratorio de ciencias del CERN en Ginebra, Suiza.
El profesor Tomasz Skwarnicki y el estudiante de doctorado Thomas Britton G'16, ambos miembros del Grupo Experimental de Física de Alta Energía en Syracuse y la colaboración del Gran Colisionador de Hadrones LHCb en el CERN, han confirmado la existencia de un candidato a tetraquarkconocido como X 4140. También han detectado otras tres partículas exóticas con masas más altas, llamadas X 4274, X 4500 y X 4700.
Las cuatro partículas fueron el tema de la disertación de doctorado de Britton, que defendió en mayo y luego presentó, en nombre de la colaboración de LHCb, como un artículo de revista Cartas de revisión física American Physical Society, 2016.
Un tetraquark es una partícula compuesta de cuatro quarks: dos quarks y dos antiquarks.
Tetraquarks - y, por extensión, pentaquarks, que contienen cinco quarks - se consideran exóticos porque tienen más de la asignación habitual de dos o tres quarks.
"Aunque las cuatro partículas contienen la misma composición de quark, cada una de ellas tiene una estructura interna, masa y un conjunto de números cuánticos únicos", dice Skwarnicki, quien, en abril de 2014, confirmó la existencia del primer candidato tetraquark cargado del mundo, llamado Z 4430 +. Un año antes, él y el estudiante de doctorado Bin Gui G'14 determinaron los números cuánticos del primer candidato de tetraquark pesado neutral, X 3872.
Los números cuánticos describen las propiedades subatómicas de cada partícula.
Skwarnicki dice que la medición de las cuatro partículas es la más grande de su tipo hasta la fecha. A diferencia de otros candidatos de partículas exóticas, la suya y la de Britton no contienen materia nuclear ordinaria es decir, quarks encontrados en protones y neutrones.
"Nunca hemos visto este tipo de cosas antes. Nos está ayudando a distinguir entre varios modelos teóricos de partículas", dice Skwarnicki.
Miembro de la American Physical Society, Skwarnicki es miembro desde hace mucho tiempo de la colaboración LHCb, involucrando a aproximadamente 800 científicos de 16 países. Su objetivo es descubrir todas las formas de la materia, con la esperanza de explicar por qué el universo está hecho de ella, en lugar de antimateria.
El trabajo de Skwarnicki se centra en los quarks, constituyentes fundamentales de la materia que sirven como una especie de andamiaje para protones y neutrones. Si bien la mayoría de las partículas tienen dos o tres quarks, Skwarnicki y otros, en la última década, han observado unos con cuatro o cinco.
El verano pasado, él y el estudiante de doctorado Nathan Jurik G'16 se unieron con el distinguido profesor Sheldon Stone y Liming Zhang, profesor de la Universidad de Tsinghua en Beijing, para anunciar su descubrimiento de dos estados raros de pentaquark. La noticia llegó a los titulares, empujando a Siracusay CERN en el centro de atención internacional.
Según el Modelo estándar de física de partículas, hay seis tipos de quarks, cuyas propiedades intrínsecas hacen que se agrupen en pares con nombres inusuales: arriba / abajo, encanto / extraño y arriba / abajo.
Las partículas que estudian Skwarnicki y Britton tienen dos quarks encantadores y dos quarks extraños. Charm y quarks extraños son el tercer y cuarto quarks más masivos de todos.
Cabe destacar que los cuatro quarks de la nueva familia son "pesados".
"Cuanto más pesado es el quark, más pequeña es la partícula correspondiente que crea", dice Skwarnicki, y agrega que los nombres de las partículas reflejan sus masas. "Los nombres se denotan por megavoltios [MeV], en referencia a la cantidad deenergía que gana un electrón después de ser acelerado por un voltio de electricidad ... Esta información, junto con los números cuánticos de cada partícula, mejora nuestra comprensión de la formación de partículas y las estructuras fundamentales de la materia ".
La evidencia de X 4140 apareció por primera vez en 2009 en el Fermi National Accelerator Laboratory, en las afueras de Chicago, pero la observación no se confirmó hasta tres años después en el CERN.
Una representación del enorme detector LHCb, que registra aproximadamente 10 millones de colisiones de protones por segundo. Los científicos estudian los escombros de estas colisiones para comprender mejor los componentes básicos de la materia y las fuerzas que los controlan. Extremadamente raro y cuatro veces más pesado que un protón, X 4140 se detectó inicialmente solo 20 veces de miles de millones de colisiones de energía producidas por el hombre. LHCb es especialmente adecuado para estudiar esas partículas y, por lo tanto, ha detectado X 4140 casi 560 veces.
Skwarnicki atribuye el descubrimiento de los tres hermanos de X 4140, seleccionados de los datos de LHCb de 2011 a 2012, a una mayor sensibilidad instrumental. Es la configuración de energía de los quarks, explica, lo que le da a cada partícula su masa única yidentidad.
"Los Quarks pueden estar estrechamente unidos, como tres quarks empaquetados dentro de un solo protón, o bien unidos, como dos átomos que forman una molécula", dice Skwarnicki. "Al examinar los números cuánticos de las partículas, pudimos reducir las posibilidadesy descartar la hipótesis molecular "
Una instantánea de los datos del detector LHCb, destacando las colisiones que han resultado en los cuatro tetraquarks. No es que el proceso haya sido fácil. Una "saga aporetica" es cómo Britton describe el estudio de estructuras moleculares que parecen "saltar de los datos""
"Observamos cada partícula y proceso conocidos para asegurarnos de que estas cuatro estructuras no pudieran explicarse por ninguna física preexistente", dice. "Fue como hornear un pastel de seis dimensiones con 98 ingredientes y ninguna receta--solo una foto de un pastel "
Mientras tanto, Skwarnicki, Britton y otros enfrentan la onerosa tarea de revisar los datos y desarrollar modelos teóricos, en un intento de confirmar lo que han visto.
"Puede ser un cuarteto de partículas completamente nuevas o la compleja interacción de partículas conocidas, simplemente cambiando sus identidades", concluye Skwarnicki. "De cualquier manera, el resultado dará forma a nuestra comprensión del universo subatómico".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Syracuse . Original escrito por Rob Enslin. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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