LHCb observa dos nuevos bariones

Dibujo20141119 new baryons - lhcb public web cern ch

La colaboración LHCb, tras analizar 3 /fb de colisiones en el LHC del CERN, ha descubierto dos nuevas partículas predichas por la teoría, los bariones Ξb y Ξb*, formados por tres quarks de valencia bsd (bottom b, strange s y down d). Se trata de dos nuevos estados de los bariones Ξb; el barión Ξb tiene los dos quarks de menor masa con sus espines apuntando en direcciones opuestas y el barión Ξb* los tiene apuntando en la misma dirección; también existe un barión neutro Ξb*0 que fue observado por primera vez en 2012 en CMS.

El artículo técnico es LHCb Collaboration, “Observation of two new Ξ−b baryon resonances,” CERN-PH-EP-2014-279, LHCb-PAPER-2014-061, arXiv:1411.4849 [hep-ex]. Más información divulgativa en “19 November 2014: First observation of two new baryonic strange beauty particles,” LHCb News, 19 Nov 2014; “LHCb experiment observes two new baryon particles never seen before,” CERN press office, 19 Nov 2014. En español recomiendo “Los científicos del CERN observan dos nuevas partículas bariónicas,” Agencia SINC, 19 Nov 2014.

Las nuevas partículas decaen (o se desintegran) en el barión Ξb0 y en el mesón π, por ello la figura muestra la distribución de la diferencia de masa δm de las nuevas partículas respecto a la masa del barión m(Ξb0) = 5791,80 ± 0,50 MeV/c². Las masas de las nuevas partículas son m(Ξb) = 5935,02 ± 0,02 ± 0,01 ± 0,50 MeV/c², y m(Ξb*) = 5955,33 ± 0,12 ± 0,06 ± 0,50 MeV/c², donde los tres errores son estadístico, sistemático y el debido a la masa del barión Ξb0. Por cierto, la letra griega Ξ se deletrea Xi.

¿Por qué es importante seguir descubriendo nuevas partículas compuestas de quarks? Conforme la masa de los hadrones crece las predicciones de la QCD (cromodinámica cuántica) no perturbativa son más fiables. Por ello los nuevos bariones permiten estudiar la validez de la QCD desde un punto de vista fenomenológico (nadie duda de su validez desde un punto de vista teórico). El futuro de la física de partículas es descubrir pequeñas desviaciones que nos anticipen nueva física (supersimetría, por ejemplo).

¿Perdido pero interesado? Los quarks forman hadrones, que pueden ser bariones o mesones. Los bariones son partículas formadas por tres quarks de valencia rodeados de un océano de pares quark-antiquark y gluones virtuales. Los mesones están formados por un quark y un antiquark de valencia rodeados de un océano de pares quark-antiquark y gluones virtuales. Salvo el quark top (cuya vida media es demasiado corta para hadronizarse), todos los quarks pueden formar parte de los hadrones. LHCb es el detector de partículas del LHC especializado en los hadrones formados por quarks b (bottom o beauty) de valencia.

Como la masa del quark b es mucho mayor que la de los demás quarks, los bariones bellos con un único quark b tienen una masa muy próxima entre sí. Por ello son muy difíciles de observar (o mejor, de discernir), salvo usando mucha luminosidad integrada (muchas colisiones). LHCb es el experimento ideal para descubrirlos (aunque CMS y ATLAS le siguen de cerca). Por ello esta noticia es un nuevo gran éxito de LHCb, aunque se limite a corroborar la validez del modelo estándar.

Los estudios de precisión en el modelo estándar tienen una importancia capital. Quizás haya quien piense que se trata de resultados aburridos. Pero la nueva física más allá del modelo estándar se puede ocultar en pequeñas desviaciones en la física de estas partículas. Nuevas partículas con una masa por encima de la capacidad del LHC para observarlas pueden dejar una pequeña señal (en forma de pequeña desviación) en la física de las partículas de menor masa. Dichas señales están siendo buscadas con ahínco. Descubrir nuevos mesones o nuevos bariones permite explorar la física de precisión del modelo estándar desde nuevos puntos de vista y permiten que la región de exclusión de nueva física crezca.

5 Comentarios

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RamiroHumSahRamiroHumSah

Gracias por la nota Francis :)

Leyendo esta gran entrada me puse a pensar en el concepto de resonancia y algo me llamó mi atención (Pido disculpas de antemano si es muy básica mi pregunta ó se me escapa algo muy evidente)

el ejemplo de la partícula Sigma + esta es una partícula de espín 1/2 y constituida por uus y hay una resonancia de esta partícula de espín 3/2 de nuevo constituida por uus. En el caso de la resonancia los espines de sus quarks constituyentes (como aproximación a la subestructura del hadrón) tienen sus espines paralelos esto implica energía de ligadura menor y luego la masa de la resonancia es mayor (luego esta es menos estable)

Sin embargo me vino a la mente ahora mismo la regla de Hund que se enseña en el instituto… en ese caso cuando se distribuyen los electrones para llenar orbitales de un átomo correspondientes a una misma energía se hace de tal manera que los electrones tengan sus espines paralelos y esto lleva a la configuración más estable (Menor energía)

Luego me preguntaba ¿Por qué esta relación “inversa” ?

Francisco R. Villatoro

Ramiro, la regla de Hund se basa en la hipótesis de que el acoplo entre el momento angular y el momento de espín de los electrones en el átomo sea débil; la regla se cumple en los átomos ligeros, pero casi todos los átomos pesados son excepciones a esta regla (lo que no significa que se cumpla la “relación inversa”). En QCD el acoplo siempre es fuerte, luego nunca es aplicable la regla de Hund (y, repito, no se cumple la regla inversa, el orden de energía tiene otro origen).

RamiroHumSahRamiroHumSah

Mil gracias por tu respuesta Francis no sabía sobre el límite de aplicación de la regla de Hund… ahora que lo pienso fue demasiado ingenuo creer que funcionaría en el régimen de acoplo fuerte en la interacción espín y momento angular.

Gracias como siempre Francis

Gracias también por vuestro amable comentario orlin

orlinorlin

Hola Ramiro,

hay una diferencia básica. La ley de hund se deriva de la interacción electron-electron, que es repulsiva, luego las “mejores” configuraciones son las que minimizan este efecto. Sin embargo, para hadrones las interacciones entre quarks son atractivas, de ahí que vaya en sentido contrario.

saludos.

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