Los «átomos» más bellos del mundo

Por Francisco R. Villatoro, el 8 septiembre, 2010. Categoría(s): Ciencia • Física • LHC - CERN • Physics • Science

Un mesón está formado por un quark y un antiquark (de carga eléctrica opuesta). Un átomo de hidrógeno está formado por un protón y un electrón (de carga eléctrica opuesta). ¿Puede comportarse un mesón como un átomo? Sí, un ejemplo son los «átomos bellos» que son mesones formados por un quark b (belleza) y un antiquark b (antibelleza), el llamado mesón Úpsilon (ϒ), descubierto en 1977, también llamado bottomonium (porque al quark b también se le llama bottom o fondo). Un «átomo bello» tiene una masa 10 veces mayor que la de un protón pero su tamaño es 100.000 veces menor. La física de un «átomo bello» es muy similar a la de un átomo de hidrógeno, ya que presenta niveles de energía muy parecidos. La figura que abre esta entrada ha sido obtenido por el experimento LHCb del CERN y presenta los estados 1S, 2S y 3S detectados gracias a la desintegración del «átomo bello» en un par de muones. La figura ilustra el resultado y los niveles atómicos correspondientes. Nos lo cuentan en «Beautiful atoms,» LHCb News, 6 September 2010.

En realidad, el bottomonium es más parecido a un positronium (el «átomo» formado por un electrón y un positrón) que al átomo de hidrógeno. Los «átomos» formados por quarks, llamados quarkonia, solo tienen dos representantes, el charmonium (cc), mesón J/ψ, y el bottomonium (bb), mesón ϒ. Se piensa que el quarkonium correspondiente al quark top no existe, el toponium, pues los quarks top decaen demasiado rápido como para que se puedan llegar a observar sus estados excitados (niveles «atómicos»). Igual que en los átomos, los niveles de energía excitados de los quarkoniums se denominan con las letras S, P, D, F, … Muchos de los niveles «atómicos» del bottomonium todavía no han sido estudiados en detalle (aunque hayan sido descubiertos en experimentos como CDF, DZero, o Belle). En el LHC tanto ATLAS como CMS serán capaces de estudiar los «átomos bellos» pero la estrella será LHCb, un experimento específico que permitirá medir sus propiedades con extrema precisión, la estructura fina e hiperfina de sus niveles energéticos. Los primeros resultados de LHCb sobre el bottomonium son muy prometedores e indican que el año que viene el experimento LHCb podrá competir en pie de igualdad con fábricas de quarks b como BaBar, Belle y CLEO. Además, Atlas y CMS también lo estudiarán y competirán en ello con CDF y DZero del Tevatrón.

¿Por qué la física de los «átomos bellos» debe ser estudiada en detalle? La predicción teórica gracias a la QCD y a teoría efectivas de las propiedades del bottomonium presenta grandes dificultades y en la actualidad se observan ciertas desviaciones entre la teoría y el experimento, con certezas entre 2 y 3 sigma. La mayoría de los expertos creen que no son señales de nueva física más allá del modelo estándar. Hay que atacar estas desviaciones desde dos frentes, por un lado, reduciendo las incertidumbres teóricas, y por otro, obteniendo datos experimentales aún más precisos, así como los valores de ciertos parámetros que aún no han sido obtenidos. Además, la física del bottomonium también oculta fuentes de violación de la simetría CP en el modelo estándar que han de ser estudiadas con mucho detalle. El experimento LHCb del CERN tendrá mucho que aportar a estos estudios. Abajo un vídeo de youtube presentando al LHCb para los que no lo conozcan.

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