El estado actual de la resonancia Y(4140) en el espectro J/ψφ

Dibujo20121204 production resonance y 4140

Los hadrones exóticos son partículas compuestas de más de tres quarks, como los tetraquarks, estados ligados de dos mesones, o los pentaquarks, estados ligados de un mesón y un barión (“Qué pasó con… los pentaquarks,” 8 oct 2011). Para nombrar los hadrones exóticos se suelen usar las letras X, Y, y Z. El experimento CDF del Tevatrón, Fermilab, EEUU, observó en marzo de 2009 y confirmó en enero de 2011 a 5,0 sigmas una nueva resonancia en las desintegraciones B+ → J/ψ φ K+, llamada Y(4140), con desintegración Y(4140) → J/ψ φ. Se observaron solo 19 ± 6 (stat) ± 3 (syst) eventos de es tipo en 6,0 /fb (inversos de femtobarn) de colisiones protón-antiprotón a 1,96 TeV c.m.; la masa de la resonancia es m = 4143,4 ± 3,0 (stat) ± 0,6 (syst) MeV/c², aunque recibe el nombre Y(4140), y su anchura Γ = 15,3 ± 10,4 (stat) ± 2,5 (syst) MeV/c² (CDF Public Note; arXiv:1101.6058). Más aún, CDF también observó una segunda resonancia Y(4274) aunque solo con 3,1 sigmas, con masa m = 4274,4 ± 8,4 (stat) MeV/c², y Γ = 32,3 ± 21,9 (stat) MeV/c². Por cierto, a veces se escribe X(4140) en lugar de Y(4140), pues su naturaleza exacta no es conocida.

Dibujo20121204 observation y 4140 cdf public note

La resonancia Y(4140) fue buscada sin éxito por Belle (C. P. Shen et al. (The Belle Collaboration), “Evidence for a New Resonance and Search for the Y(4140) in the γγ→ϕJ/ψ Process,” Phys. Rev. Lett. 104: 112004, 2010; arXiv:0912.2383). Sin embargo, Belle observó con 3,5 sigmas una “nueva” resonancia Y(4350), con masa m = 4350,6 ± 5,1 (stat) ± 0,7 (syst) MeV/c², y anchura Γ = 13 ± 18 (stat) ± 4 (syst) MeV/c². La ausencia de Y(4140) se observó con 2,7 sigmas.

Dibujo20121203 belle 4140

También buscó sin éxito la resonancia Y(4140) el experimento LHCb del LHC (LHCb Collaboration, “Search for the X(4140) state in B+ to J/psi phi K+ decays,” Phys. Rev. D 85: 091103(R), 2012; arXiv:1202.5087). Solo se utilizando 0,37 /fb de colisiones protón-protón a 7 TeV c.m. de 2011, obteniendo 2,4 sigmas de certeza en la hipótesis de que la resonancia Y(4140) no existe. Obviamente, habrá que esperar a nuevos análisis con las colisiones de 2012, que se publicarán en el verano/otoño de 2013.

Dibujo20121203 lhcb 4140

Ha sido noticia en noviembre de 2012 que CMS del LHC ha observado a más de 5 sigmas dos resonancias: una compatible con Y(4140), con una masa m = 4148,2 ± 2,0 ± 5,2 MeV/c², y otra con una masa m = 4316,7 ± 3,0 ± 10,0 MeV/c². Se han utilizado 5,2 /fb de colisiones protón-protón a 7 TeV c.m. obtenidas en el año 2011 (CMS, “Observation of structures in J/psi phi spectrum in exclusive B+ –> J/psi phi K+ decays at 7 TeV,” BPH-11-026, 16 Nov. 2012).

Dibujo20121203 cms preliminary y 4140 resonance observation

CDF y CMS han observado la resonancia Y(4140) a más de 5 sigmas, sin embargo, Belle y LHCb la han buscado y no la han encontrado. Además, CDF y CMS han observado otra resonancia cercana, pero cada uno a diferente energía. ¿Qué significa todo este puzzle? Por ahora, no se sabe. Habrá que esperar al verano/otoño de 2013, cuando se publique el análisis de CMS de estas resonancias utilizando todos los datos de colisiones de 2012 y los nuevos resultados de LHCb, e incluso de ATLAS. No en balde, el artículo de CMS bautiza a Y(4140) como “estructura” con objeto de no caer en la trampa de afirmar que se trata de un hadrón exótico. Son análisis muy complicados y los hadrones exóticos han ofrecido muchas falsas alarmas en la última década.

¿Qué puede ser la resonancia Y(4140)? Hay varias opciones, pero una bastante razonable es que sea un tetraquark, un estado ligado de cuatro quarks ccss, es decir, charm, anticharm, strange, y antistrange (Fl Stancu, “Can Y(4140) be a tetraquark?,” Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics 37 : 075017, 2010). Hay otras posibilidades, pero no sé si merece la pena discutir este asunto en más detalle. Por ahora, lo único que podemos decir es que habrá que esperar al verano de 2013 para tener más información sobre la resonancia Y(4140) que aparece y desaparece como los ojos el Guadiana.

PS: Tomasz Skwarnicki (LHCb collaboration), “Exotic Meson Studies at LHCb,” Slides, June 1, 2012.

7 Comentarios

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MarinaMarina

Es impresionante, no tengo conocimientos pero he leído una, dos y tres veces esta entrada y el intento de comparar gráficas de las resonancias observadas y esperar a que se publique a partir de complejo análisis de los datos. Por cierto Francis, que ventajas añadiría a la dificultad del análisis, falsos positivos, etc dos cuestiones una más a la vista, pasar de 7 TeV tambien se habla de 8 TeV a que funcionáis, pasar a 14 TeV . Y otro más lejano por las lógicas dificultadas que hacen no se prevea ningún adelanto de acontecimientos, como sería disponer de ordenadores cuánticos, de computación cuántica para dichos análisis.

Sorprendente, impresionante asimismo que se entrevea la opciónesa varias opcion bastante razonable de un tetraquark, un estado ligado de cuatro quarks. Pues fíjate que me hizo recordar la conferencia de actualidad sobre el bosón de Higgs a cargo de un español miembro relevante del CERN tal y como te comenté asiste hace dos semanas. Y otra de enhorabuena pues nunca vamos a caer en el aburrimiento del todo esta dicho ni en física ni en ninguna otra área del conocimiento humano.

Cuatro quarks, disculpad que me entusiasme aunque se que ya se que mi postura no este bien vista.

emulenewsemulenews

Marina pregunta “que ventajas añadiría a la dificultad del análisis, falsos positivos, etc dos cuestiones una más a la vista, pasar de 7 TeV tambien se habla de 8 TeV a que funcionáis, pasar a 14 TeV.” La energía como tal tiene poca ventaja en este tipo de eventos pues son eventos de baja energía (0,004 TeV). La gran ventaja es la luminosidad, el número de colisiones por segundo, que ha crecido bastante de 2011 (7 TeV) a 2012 (8 TeV) y crecerá más aún en 2015 (13 TeV; no se sabe si se llegará a 14 TeV). Este tipo de resonancias requieren un análisis muy delicado que se facilita con el conocimiento de los detectores y este conocimiento se mejora conforme pasa el tiempo.

“Ordenadores cuánticos, de computación cuántica para dichos análisis.” La verdad, no tendrían ninguna ventaja en este tipo de análisis. Hay otros análisis que podrían ser más eficientes con un ordenador cuántico con un número grande de cubits, pero para la reconstrucción de eventos no son necesarios.

“tetraquark, un estado ligado de cuatro quarks.” En realidad se trataría de un estado ligado de dos mesones, cada uno con dos quarks, es lo mismo, pero no es lo mismo (hay pequeñas diferencias entre el tratamiento teórico en ambos casos).

lauramorron

Hola Francis,
La entrada es genial, ahora entiendo mucho mejor lo que ha ocurrido. Esto de tener que esperar a obtener resultados genera un cierto sentimiento de impotencia, pero es lo que tiene la física teórica actual. Tiempo, paciencia y tecnología. Y unas ganas locas de ver qué pasa ;)
Lo malo es que esta necesidad de titulares para justificar gastos genera la propagación de noticias que en demasiadas ocasiones no están suficientemente justificadas.
Seguiremos expectantes, entonces consultando el blog!

planck

Bueno lo único nuevo que cabe esperar aquí es una confirmación de la existencia de los tetraquarks, algo predicho por la QCD y por tanto dentro del modelo estándar. Sería algo importante, aunque lo realmente importante y que los físicos están deseosos de encontrar, son indicios o pruebas de fenómenos que el SM no pueda explicar. El SM hasta ahora se ha mostrado infalible y es la demostración más impresionante de lo que la fusión entre matemáticas y física puede conseguir: explicar todos los fenómenos detectados hasta ahora en física de partículas, postular la existencia de fenómenos y partículas aún no detectadas (como el Higgs hasta este año o los tetraquarks) e incluso postular la existencia de fenómenos que el SM no puede explicar junto con las teorías que podrían explicarlo. El SM es un inmenso logro de la física y uno de los más grandes de todos los tiempos pero si queremos explicar los grandes enigmas de la física y que permanecen inexplicados durante las últimas décadas tenemos que ir más allá, existen muchas teorías más allá del SM pero sin la luz arrojada por los experimentos es imposible dedicidir cual es correcta o encontrar una nueva que lo sea.
El año que viene y durante la larga parada del LHC se publicarán cientos de papers basados en cada vez más datos hasta el total acumulado (más de 30/fb seguramente). Esperemos que alguno de ellos encuentre algún indicio claro de física más allá del SM (quizás el exceso que señala Jester
en la producción de pares WW: http://resonaances.blogspot.com.es/2...puzzle.html).

emulenewsemulenews

Planck, no quiero desmerecer la opinión de Jester, pero creo que el problema está en la estimación teórica más que en la existencia de nueva física. Pero es solo mi opinión, claro.

planck

Seguramente tengas razón, el propio Jester reconoce al principio de su entrada que esta tiene un “over-optimistic tone”.

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