LHCb observa la partícula Ξcc (barión ccu)

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Se llama barión Ξ (en español Xi) al hadrón con un quark de valencia de primera generación (u o d) y dos quarks de valencia de segunda o tercera generación (s, c o b). Hay bariones Ξ que aún no se han observado. El primero fue observado en 1959, el Ξ0 (barión ssu). Ahora es noticia que el detector LHCb del LHC ha observado el Ξcc++ (barión ccu), un barión Xi doblemente encantado con una masa estimada de 3621,40 ± 0,72(stat) ± 0,27(syst) ± 0,14(Λc+) MeV/c², donde el último término es debido a la incertidumbre en la masa del barión Λc+. El nuevo barión se ha observado tras analizar 1,7 /fb de colisiones protón contra protón a una energía de 13 TeV c.m. del LHC Run II (y ha sido confirmado al añadir los datos de colisiones a 8 TeV c.m. del LHC Run I).

Observar estos bariones doblemente encantados es muy difícil porque su vida media es muy corta. No se ha podido estimar la vida media del Ξcc++, pero ronda los 333 fs (femtosegundos). En el año 2002 la Colaboración SELEX en el Fermilab afirmó haber observado el barión doblemente encantado Ξcc+ (ccd), con una vida media de unos 33 fs (aunque solo observó unos 16 sucesos sobre un fondo de 6). Sin embargo, dicha observación no ha sido confirmada por LHCb; más aún, la masa del nuevo barión es 103 ± 2 MeV/c² mayor que la medida por SELEX, lo que contradice las expectativas teóricas. Por ello, sin rubor, se puede afirmar que el barión Ξcc+ aún no se ha observado; por supuesto, se espera que pronto LHCb sea capaz de ello. Más aún, se espera que en unos años también observe el barión doblemente encantado Ωcc+ (ccs).

El nuevo artículo es LHCb collaboration, “Observation of the doubly charmed baryon Ξcc++,” arXiv:1707.01621 [hep-ex]; los artículos de SELEX son SELEX Collaboration, “First Observation of the Doubly Charmed Baryon Ξcc+,” Phys. Rev. Lett. 89: 112001 (2002), doi: 10.1103/PhysRevLett.89.112001, arXiv:hep-ex/0208014, y “Confirmation of the Double Charm Baryon Ξcc+ via its Decay to p D++ K,” Phys. Lett. B 628: 18-24 (2005), doi: 10.1016/j.physletb.2005.09.043, arXiv:hep-ex/0406033.

[PS 08 Jul 2017] La masa del barión ucc se puede estimar a ojo de buen cubero de la siguiente forma. La masa de un protón (barión uud) es, más o menos, 1 GeV. Está formado por tres quarks de valencia cuya masa es despreciable. Si los sustituimos por dos quarks charm cuya masa es 1,3 GeV, entonces la partícula resultante debe tener una masa de 1+1,3+1,3 = 3,6 GeV. Una buena aproximación a 3,6214 ± 0,0008 GeV, la masa estimada por LHCb. Nos recuerda este sencillo cálculo Luboš Motl, “Does the confirmed mass of the ucc baryon make this field exciting?” TRF, 07 Jul 2017.

Permíteme un comentario en relación a la observación de SELEX del barión dcc. La diferencia de masas entre el protón y el neutrón, (uud) y (udd), es de solo 1,3 MeV. Argumentos teóricos firmes apuntan a que la diferencia de masas entre los bariones (ccd) y (ccu) debe ser similar, o sea, de unos 1,4 MeV (cálculo de Así lo han calculado Marek Karliner, Jonathan L. Rosner, “Isospin splittings in baryons with two heavy quarks,” arXiv:1706.06961 [hep-ph]). Pero LHCb ha observado que el barión ccu tiene una masa 150 MeV superior al supuesto barión ccd observado por SELEX. Luego dicho barión ccd aún no ha sido observado. Así nos lo recuerda el magistral Tommaso Dorigo, “LHCb Unearths New Doubly-Charmed Hadron Where Marek Karliner And Jonathan Rosner Ordered It,” AQDS, 07 Jul 2017. [/PS]

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Esta figura muestra el diagrama de Feynman de la desintegración del barión Ξcc++ → Λc+ K π+ π+ que ha permitido su observación en LHCb, donde Λc+ → p K π+, con lo que al final los productos son tres piones, un kaón y un protón; por cierto, hay otros canales de desintegración, pero no se han usado en el análisis de LHCb. Se han observado 313 ± 33 sucesos de este tipo, con lo que el barión se ha descubierto a más de 9 sigmas de confianza estadística.

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En resumen, aunque la física de los hadrones no es espectacular, debemos recibir con regocijo el descubrimiento de nuevos bariones. Más aún cuando el nuevo resultado de LHCb contradice las observaciones de SELEX e implica que un barión que se pensaba que estaba descubierto aún está por descubrir. Sin lugar a dudas, LHCb lo observará pronto. La física de los hadrones también merece un sitio en nuestro corazón.


7 Comentarios

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David BravoDavid Bravo

Si mis lecciones de griego del instituto no me han abandonado, la letra Ξ es la ksi mayúscula (xi si se prouncia la ‘x’ como ‘extraño’); la ji (khi en inglés, por el intento de transcripción fonética de la “j” española que derivó en que todos la pronuncian ahora como “ki”) es la Χ-χ.

¡Gracias por el artículo! :)

Francisco R. Villatoro

Gracias, David, por estar atento. Tienes toda la razón, he confundido la decimocuarta letra del alfabeto griego con la vigesimosegunda. Menos mal que tengo lectores atentos.

JaviJavi

En plasmónica es facilisimo ver resonancias con vidas medias de 300 femtosegundos ¿Cuál es la razón de que sean tan dificiles de observar resonancias con esas vidas medias en fisica de particulas?

Puedo imaginar que tiene que ver con que los plasmones se acoplan muy bien con la luz y es fácil *probarlos* midiendo la transmision por ejemplo. En física de partículas ¿es dificil acoplarse con esas resonancias debido a que es dificil *matchear* el momento, energía y demas numeros cuanticos de estas partículas en las colisiones? Por ejemplo, la cross section de una resonancia plasmonica puede ser igual a 30 veces el área subtendida por una nanoantena de de una micra de oro. En el caso de fisica de partículas, ¿como es esa cross section? ¿muy pequeña? ¿de que depende?

Francisco R. Villatoro

Javi, el problema es que los productos de desintegración de estas partículas son hadrones (bariones y mesones) y el fondo de ruido hadrónico es enorme en las colisiones del LHC (en cada cruce de haces de protones se producen entre 20 y 50 colisiones individuales entre quarks y gluones, todas ellas produciendo hadrones); por ello se requieren partículas de vida media no demasiado corta, que a energías ultrarrelativistas tengan una vida media suficientemente larga como para que vivan lo suficiente para que los detectores de vértices sean capaces de observarlas; por eso se ha observado en colisiones con 13 TeV c.m. y no se pudo asegurar la observación con colisions a 8 TeV c.m.

La sección eficaz (cross section) es el área efectiva de choque. Imagina que lanzas un dardo a una diana, será más fácil si está más cerca de ti porque el área efectiva de la diana (su sección eficaz) es mayor en tu campo visual, y más difícil si está más lejos. En física nuclear se usa como unidad de área la de un núcleo de uranio (1 barn). En física de partículas el tamaño de las partículas a alta energía es mucho más pequeño y se suelen medir las secciones eficaces en picobarn (billonésimas de barn). Por ejemplo, en las colisiones protón contra protón en el LHC la sección eficaz total ronda los 100 mb (milibarns), de los que 60 mb son inelásticos (producen nuevaspartículas); la producción de un Higgs requiere unos 50 fb (femtobarn), luego multiplicando se observa del orden de un Higgs cada 30 minutos.

sebafsebaf

Hola Francis, soy nuevo por acá. Me parece un gran blog (aunque entienda muy poco). Tengo una pregunta, quizás muy descolgada. Hace un tiempo escuché que la gente del CERN tenía algo entre manos, que según decían era más importante que LIGO. ¿Sabes algo de esto? ¿No creo que se refieran a esta nueva partícula no? Muchas gracias y felicitaciones por tu labor divulgativa.

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