Cuidado, LHCb ha observado una molécula hadrónica, no un pentaquark

Dibujo20150715 five leaf clover pentaquark - Photo Credit Cathy Handel

Un falso pentaquark (fake pentaquark) es un molécula hadrónica formada por una resonancia entre un mesón y un barión (también llamada resonancia diquark-triquark). Su estudio es muy interesante, pero hay una gran diferencia con un verdadero pentaquark (pentaquark), un hadrón exótico formado por cinco quarks ligados entre sí por gluones (cuatro quarks y un antiquark).

La nueva resonancia observada por LHCb es una molécula hadrónica ΣbD*, no un pentaquark Pc. El artículo de LHCb no lo deja claro de forma explícita, pero muestra resultados que apuntan fuertemente a la predicción de Karliner y Rosner, que corresponde a una molécula hadrónica (también llamada resonancia mesón-barión). Por ejemplo, la anchura de la resonancia Pc(4450) es demasiado grande para ser un pentaquark verdadero y el diagrama de Argand para la resonancia Pc(4380) ofrece muchas dudas. Según Karliner, no hay duda, LHCb ha observado su predicción y observará pronto otras moléculas hadrónicas (incluidas resonancias barión-barión, falsos hexaquarks).

El artículo con la predicción teórica es Marek Karliner, Jonathan L. Rosner, “New Exotic Meson and Baryon Resonances from Doubly-Heavy Hadronic Molecules,” arXiv:1506.06386 [hep-ph]. Más información divulgativa en Tommaso Dorigo, “Marek Karliner: Not A Pentaquark, But A Molecule – As He And Rosner Predicted,” A Quantum Diaries Survivor, 14 Jul 2015; Adam Davis, “Finding a five-leafed clover,” Quantum Diaries, 15 Jul 2015.

Ayer pudiste leer que, para no mojarme demasiado, puse “Posible” en el título de “Posible descubrimiento del pentaquark en LHCb,” LCMF 14 Jul 2015; varios artículos de expertos han dejado claro, casi fuera de toda duda, que LHCb ha descubierto una resonancia mesón-barión, un falso pentaquark. Ello no quita que sea un gran descubrimiento.

[PS 22 Jun 2015] El artículo de L. Roca, J. Nieves, E. Oset, “The LHCb pentaquark as a D¯∗Σc−D¯∗Σ∗c molecular state,” arXiv:1507.04249 [hep-ph], también ofrece argumentos firmes a favor de que LHCb ha observado un estado molecular.

Dibujo20150715 thresholds molecular states hadron with heavy quark - arxiv org

Esta tabla muestra la prediccíon de Karliner y Rosner para la partícula descubierta por LHCb (por cierto, citada en el artículo de LHCb). Descubrir una resonancia barión-mesón no es moco de pavo. La predicción teórica promete que se descubrirán muchas más. De hecho también se descubrirán pronto moléculas hadrónicas con seis quarks, resonancias barión-barión y barión-antibarión.

El estudio de una resonancia hadrónica se basa en su modelo teórico efectivo como una resonancia de Breit-Wigner, cuya amplitud es un número complejo. En el plano complejo (con la parte real en el eje horizontal y la parte imaginaria en el eje vertical) se debe observar un círcluo (diagrama de Argand).

Dibujo20150715 fitted values real-imaginary parts amplitudes pc 4450 pc 4380 - lhcb lhc cern

Estos diagramas de Argand para las dos nuevas resonancias hadrónicas (moléculas hadrónicas) sobservadas por LHCb indican que aunque el descubrimiento haya sido a 9 sigmas (para el pico (bump) observado), todavía queda mucho trabajo por hacer (sobre todo para la resonancia Pc(4380), cuyo diagrama de Argand está bastante alejada de un círculo).

El trabajo futuro de los físicos de LHCb con los datos del LHC Run 2 consistirá en mejorar la identificación de estas resonancias ofreciendo un diagrama de Argand mucho más preciso. Quizás estas resonancias pasen a la historia de la física como pentaquarks, pero no me resisto a destacar que son falsos pentaquarks y que todavía no se han descubierto los verdaderos pentaquarks.

Por cierto, en el artículo de LHCb se puede leer “Different binding mechanisms of pentaquark states are possible.” Luego dejan caer de forma explícita que no se mojan sobre si es un pentaquark verdadero o falso, todos caen en el mismo saco, el de los pentaquarks. “Tight-binding was envisioned originally [2, 3]. Examples of other mechanisms include a diquark-diquarkantiquark model [33, 34], a diquark-triquark model [35], and a coupled channel model [36]. Weakly bound “molecules” of a baryon plus a meson have been also discussed [37].” El artículo de Karliner y Rosner es la referencia [35], siendo la que mejor se ajusta a las observaciones de LHCb. Por supuesto, futuros estudios, en los próximos años, deberán confirmarlo.


18 Comentarios

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divergentedivergente

Hay una cuestión que me intriga y no termino de encontrar la respuesta por mucho que busco: ¿cuál es la diferencia entre un pentaquark y una combinación de mesón+barión?

Por los dibujitos que salen por doquier, da la impresión que depende de la cercanía geométrica entre el quark charm y el antiquark anticharm, pero esto solo es una forma de dibujarlo, no da cuenta de qué es lo que permite distingir en la realidad un objeto del otro.

Pido disculpas si estoy preguntando una trivialidad, pero es que me desespera no entender qué convierte un pentaquark en algo capaz de generar tanto revuelo si ya se habían observado antes bariones y mesones.

Francisco R. Villatoro

Divergente, la diferencia es la explicación. Queremos saber lo que vemos, no sólo ver cosas nuevas. Queremos saber lo que son. Además, si es una molécula, hay alguna razón física que desconocemos por la que sólo existen hadrones (mesones y bariones) y no existen los hadrones exóticos (tetra-, penta-, hexa-quarks, etc.). Buscarla es una cuestión importante y puede guiar a física más allá del modelo estándar. Si es un pentaquark (hadrón exótico), entonces se confirma QCD hasta un gran detalle y no hay que buscar ninguna razón para explicar el porqué a baja energía sólo se observan hadrones. En este caso también deben existir las glubolas y otros estados QCD predichos, pero aún no observados.

¿Por qué el CERN afirmó el 4 de julio de 2012 que se había descubierto un nuevo “bosón” buscando el bosón de Higgs? ¿Por qué hubo que esperar hasta diciembre de 2012 para que dijeran que era un “bosón tipo Higgs”? ¿Por qué hubo que esperar al verano de 2013 para que dijeran que lo que hemos descubierto es “el” bosón de Higgs? Se descubra lo que descubra en el futuro, es “el” bosón de Higgs. ¿Por qué con los tetraquarks y los pentaquarks no hacen lo mismo? Muchos expertos no lo entienden. Yo sólo me hago eco de sus dudas.

divergentedivergente

Gracias por responder, pero sigo sin entender.

Partiendo de la restricción que solo puedan observarse partículas sin color, tenemos los 3 tipos de mesones (según el color de sus quarks):
rojo + antirojo, verde + antiverde, azul + antiazul
Y los 2 tipos de bariones (ídem):
rojo + verde + azul, antirojo + antiverde + antiazul
Cualquier partícula con más quarks debe ser una combinación de las anteriores.

Desde mi ingenuidad, no tiene sentido preguntarse si existen los hadrones exóticos (distintos de los bariones y mesones) cuando ya sabemos que los mismos deben estar compuestos de bariones y/o mesones. O no?
Planteado de otra manera, ¿qué nos lleva a decir que un núcleo de helio (o helio-4) está compuesto de 4 bariones en lugar de una única partícula llamada 12-quarks?

Francisco R. Villatoro

Divergente, hay Premio Nobel a la QCD, ¿por qué fue? Por la propiedad que hace que los hadrones sean como son y que los hadrones exóticas sean cosas diferentes de las moléculas de hadrones. Quizás la diferencia te parezca una tontería, pero valió un Premio Nobel. Piensa en dicha propiedad dentro de un núcleo atómico, quizás te ayude.

divergentedivergente

Es decir, que para entenderlo hay que estudiar la QCD. Esto supera mis capacidades. Gracias de todos modos, creí que sería algo más sencillo.

Francisco R. Villatoro

Divergente, me parece que no sabes lo que es la libertad asintótica. En un protón los tres quarks de valencia están confinados, pero se comportan como si estuvieran libres (esta propiedad es clave en QCD). En un pentaquark los cinco quarks de valencia están confinados, pero se comportan como si estuvieran libres, luego el volumen de confinamiento y su vida media son muy pequeños. En una resonancia mesón-barión los cinco quarks de valencia se dividen en dos grupos, uno con tres confinados y otro con dos confinados, dentro de cada grupo se comportan como si estuvieran libres, pero estudiando su libertad asintótica se debe observar que los cinco no están libres (luego el volumen de espaciotiempo ocupado es mayor y el vida media es más larga).

Busca más información sobre libertad asintótica en la web.

divergentedivergente

Ahora sí lo he entendido, gracias. En efecto, no sabía nada de la libertad asintótica.

AlejandroAlejandro

En la pagina oficial del CERN http://home.web.cern.ch/about/update...rticles-lhc

Dan la noticia del pentaquark , y no me ha dado la impresión de que expongan ninguna duda de que es un pentaquark “auténtico”. Es cierto que enlazan al artículo pero no creo que en las redacciones de los medios de comunicación del mundo haya alguien capacitado para entenderlo y valorarlo.
Me deja un sabor agridulce la verdad.

AlbertoAlberto

Dado que el articulo teórico en cuestión fue publicado apenas 3 semanas antes que el de LHCb, da la sensación que los autores tenían información de primera mano y más que una “predicción” es una “postdicción”. Me parece mucha casualidad…

jfcejfce

Pero… ¿Entonces que querías decir con?

¿En que quedamos?
Si hay razones físicas que desconocemos entonces es una sorpresa y si se aplicaría la cita. Me inclino a pensar… 😉 .
Ahora bien, según parece la teoría original de Lipkin (1987) predecían estados pentaquark (no necesariamente ligados sino cuasiligados o resonantes) pero otros predecían o preferían llamarlo “moléculas hadrónicas de 5 quarks” (este último término resulta ser una interpretación de esas resonancias: A. De Rujula, H. Georgi, and S. L. Glashow, Phys. Rev. Lett. 38, 317 (1977).)
Según parece lo que los del LHCb han enviado a publicar al PRL dice que
esas resonancias son consistentes con estados pentaquark : http://arxiv.org/abs/1507.03414). Pero no excluyen la interpretación de “molécula hadrónica” : “Diferent binding mechanisms of pentaquark states are possible. Tight-binding was envisioned originally [2, 3]. Examples of other mechanisms include a diquark-diquarkantiquark model [33, 34], a diquark-triquark model [35], and a coupled channel model [36]. Weakly bound “molecules” of a baryon plus a meson have been also discussed [37].” (Pag. 14).
Me da la impresión de que todo es una cuestión de interpretación y de cálculo de como están dispuestos esos 5 quarks para dar lugar a resonancias y no de que les llamen pentaquark o molécula hadrónica.

jfcejfce

Vaya, no ha salido correctamente el post (esto del <blockquote cite= ,,, no me funciono) .
El principio del post era:

Pero… ¿Entonces que querías decir con?

"Además, si es una molécula, hay alguna razón física que desconocemos o la que sólo existen hadrones (mesones y bariones) y no existen los hadrones exóticos (tetra-, penta-, hexa-quarks, etc.). "

Si hay razones físicas que desconocemos entonces es una sorpresa y si se aplicaría la cita. Me inclino a pensar…

GalernaGalerna

Estimado Francis, me ha sensibilizado esta cuestión de la observación de agrupación en Pentaquark y he participado como forera en la web de Cuentos Cuánticos. La cromodinámica cuántica predice la existencia de uniones de 3 más comunes, protón y neutron, de 2, mesones, mesonesB, de 4 y el actual, de 5 o pentaquark y mi pregunta es si por ahí hay algún viso de progresar en alguna teoría de unificación, pues no olvidemos que precisamente la cromo dinámica tiene como objeto de estudio principalmente la interacción Fuerte.

Otra cuestión diferente que me gustaría hacer observar o preguntar si alguien me puede precisar un poco más, es: Si el Boson de Higgs o mejor interacción Higgs, concede masa a las partículas, veo al menos una estrecha relación ente,

La interacción Higgs y la interacción Fuerte.

Un cordial saludo.

Francisco R. Villatoro

Galerna, pregunta “si hay algún viso de progresar en alguna teoría de unificación.” Por supuesto que sí. Hay muchas teorías de unificación, pero todas tiene una escala de energía a la que unifican. A día de hoy, dicha escala está muy lejos de los experimentos. Pero cualquier día un físico joven descubrirá una manera de explorar dicha escala y entonces podremos saber cuál es la teoría de unificación correcta. Esto puede ocurrir mañana o dentro de un siglo. No sabemos cuándo, pero sabemos que ocurrirá.

“Veo al menos una estrecha relación ente la interacción Higgs y la interacción fuerte.” No sé qué tienes en mente, pero el campo de Higgs no tiene carga de color, luego no hay relación con la interacción fuerte. Hay unas teorías llamadas de tecnicolor (parecida a la interacción fuerte) que afirma que hay unas partículas llamadas “tecnoquarks” (parecidas a los quarks) cuyos mesones se comportan como bosones de Goldstone (más o menos como bosones de Higgs). Estas teorías están descartadas por los experimentos porque predicen un bosón de Higgs con unos 2000 GeV, pero se ha observado con sólo 125 GeV. Algunos físicos han buscado retruques técnicos para estirar (ajustar fino los parámetros de) estas teorías hasta un Higgs de 125 GeV, pero la mayoría de los físicos piensan que están descartadas estas teorías (no se han observado los tecnoquarks).

No entiendo qué relación quieres ver entre el campo de Higgs y QCD. Quizás la veas porque la masa del protón es debida a QCD y no al Higgs, y te gustaría que fuera debida al Higgs, pero lo siento, Galerna, la Naturaleza es como es y no como te gustaría que fuera.

Más información en mi blog:

“¿Dudan del hallazgo del Higgs? ¿Podría ser un techni-Higgs?” http://francis.naukas.com/2014/11/07...chni-higgs/

Una falsa alarma fue: “Un tecnopión de 150 GeV/c² podría ser la explicación de la anomalía observada en el Tevatrón del Fermilab” http://francis.naukas.com/2011/04/07...l-fermilab/

Saludos
Francis

GalernaGalerna

Muchisimas gracias por todo; Francis. Tu objetivo manifiesto de “transmitir la pasión al desvelar los misterios de la física conocida” se cumple conmigo.
En efecto, no sólo has satisfecho plenamente mis inquietudes en el tema sino encauzar los propósitos que me han motivado a comentar aquí.
Ahora tengo otra perspectiva e interés incrementado por iniciativa tuya, que me ha proporcionado introducirme en los links relacionados y de ahí a profundizar en cuestiones de QCD, el Higgs, acoplamiento en bosones W y Z de la interaccion nuclear débil y para quarks y leptones, por lo que creo estar más en condiciones de tratar de aclararte lo que pasaba por mi cabeza.

Como bien me precisas, el campo de Higgs no tiene carga de color. Y la carga de color es la que está asociada con la interaccion nuclear fuerte.
Mi fallo, de entrada una vision limitada de la interaccion fuerte a los bariones de tres quarks que conforman los nucleos atómicos, al protón y al neutrón.Y eso que conozco un poco las referencias al plasma de quark-gluones. Concretando mi cuestión iba referida a,

Cómo se acopla la fuerza fuerte a partir de la interacción con el campo de Higgs que concede la inercia, la masa a estas partículas quarks, que hasta dónde podemos decir son elementales, que no encontramos individuales sino agrupadas en moléculas de hadrones. Los gluones son las partículas mediadoras, si, y si pudiera mirar al núcleo atómico dentro de los protones vería una afluencia de mesones que están apareciendo y desapareciendo constantemente. Bien, los gluones están asociados a la interacción fuerte, pero en el caso de estas agrupaciones pentaquark de resonancia barion-mesón, y en la posible formacion de otras futuras combinaciones, parece se me escapa algo.

Por otra parte, me encantó tu contestación, “Queremos saber lo que vemos, no sólo ver cosas nuevas. Queremos saber lo que son”. De acuerdo, si la teoría predice que los pentaquark son de tal manera y se observa que tienen otra cualidad que sea ligeramente diferente es una gran oportunidad para ajustar la propia QCD.Y de tales correcciones, quizá se deriven, quién sabe, aplicaciones para la estabilización de los reactores nucleares de Fusión.

Disculpa mi tardanza en contestar, sólo justificada por el esfuerzo para formarme una opinión con mínima base para exponer en tu excelente blog.

Mi sincero reconocimiento a tu indiscutible labor divulgativa admirable.

anonimusanonimus

Ahora si por el ensayo de la doble RENFIJA, quien sabe si lo que vemos es lo que es o lo que la mente crea o quiere creer que vemos?

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