Me ha sorprendido que se publique un artículo en Nature sobre lo poco que sabemos sobre los hadrones exóticos. La cromodinámica cuántica (QCD) describe cómo interaccionan entre sí los quarks mediante el intercambio de gluones gracias a la cromocarga. No se han observado quarks libres y según la QCD siempre están confinados en sistemas ligados de cromocarga nula. Nada prohíbe estados confinados más allá de los hadrones (mesones y bariones). Ya hay evidencias de hadrones exóticos, tanto tetraquarks como pentaquarks. Pero aún no conocemos las reglas definitivas para su construcción.

El artículo es Matthew R. Shepherd, Jozef J. Dudek, Ryan E. Mitchell, «Searching for the rules that govern hadron construction,» Nature 534: 487–493 (23 Jun 2016), doi: 10.1038/nature18011.

La electrodinámica cuántica (QED) describe la interacción entre partículas con carga eléctrica (como leptones y quarks) mediada por fotones (que son neutros y no tienen carga eléctrica). De forma análoga, la cromodinámica cuántica (QCD) describe la interacción entre partículas con cromocarga (carga de color) mediada por gluones. A diferencia de la QED, sólo tienen cromocarga los quarks, siendo cromoneutros los leptones. Más aún, los gluones tienen cromocarga, lo que implica que la QCD es una teoría fuertemente no lineal (su grupo de simetría gauge es no abeliano), a diferencia de la QED (cuyo grupo de simetría gauge es abeliano).

La carga eléctrica tiene un valor múltiplo de 1/3 que puede ser positivo o negativo. Hay tres valores para la cromocarga de un quark, sean R, G y B; para su antipartícula, el antiquark, hay tres valores de anticromocarga, sean anti-R, anti-G y anti-B (a veces llamados C, M e Y). Los gluones conectan dos quarks diferentes, uno con un cromocolor y el otro con un anticromocolor. Se llama confinamiento de los quarks a un hecho experimental (aún no demostrado de forma teórica): sólo se observan estados ligados de quarks cuya cromocarga total sea nula.

Las partículas compuestas de quarks ligados por gluones tienen una estructura íntima muy complicada. Los gluones tienen una energía mucho mayor que la masa de los quarks que ligan, lo que implica que se forman multitud de pares quark-antiquark virtuales. Como resultado las partículas cromoneutras tienen una masa mucho mayor que la suma de las masas de los quarks de valencia que las describen de forma asintótica (para un observador que las interpreta como partículas elementales, cuando en realidad son partículas compuestas).

Los hadrones se clasifican en mesones, descritas por un par quark-antiquark de valencia con cromocargas opuesta (por ejemplo, R y anti-R), y en bariones, descritas por tres quarks de valencia cada uno con un valor diferente (en concreto, R, G y B). En teoría, además de los hadrones también puede haber otras partículas compuestas de quarks y gluones llamadas hadrones exóticos. Por ejemplo, tetraquarks formados por cuatro quarks (dos parejas quark-antiquark), pentaquarks formados por cinco quarks (tres quarks junto a una pareja quark-antiquark). Hasta hace pocos años no había indicios experimentales firmes de la existencia de estos estados exóticos. Sin embargo, hoy en día hay evidencias claras de su existencia.

Las partículas compuestas cromoneutras se caracterizan por su masa (m) y tres números cuánticos, el espín (J), la paridad (P) y la conjugación de carga (C). Normalmente se escriben de la forma J^PC (m), dado que hay una torre de partículas compuestas de masa creciente con los mismos números cuánticos  J^PC. El artículo publicado en Nature se centra en los mesones y en los mesones exóticos.

En la década de los 1960, todos los mesones conocidos estaban formados por parejas quark-antiquark con los tres quarks más ligeros, arriba (up), abajo (down) y extraño (strange). Estos mesones se pueden agrupar en un conjunto de nueve partículas con una masa similar. El más ligero es el mesón J^PC = 0⁻⁺, y los más pesados tienen otros valores de J^PC. En los 19570 se descubrieron mesones con un cuarto quark llamado encanto (charm). Esta figura los estados conocidos de mesones con este quark (llamados charmonios). Como puedes observar no hay estados con J^PC  igual a 0⁺⁻, 1⁻⁺, 2⁺⁻, …, que no están permitidos para mesones formados por un par quark-antiquark.

En los experimentos que colisionan electrones (y positrones) de alta energía contra hadrones (normalmente protones) se observan estados de mesones (resonancias) con valores  J^PC  no permitidos por la regla de que los mesones están formados por un quark y un antiquark. Estados tipo charmonio como Y(4260), Y(4360) e Y(4660) no se pueden explicar como un mesón formado por un quark y un antiquark. Todo apunta a que se trata de partículas compuestas por al menos cuatro quarks de valencia (dos parejas quark-antiquark), luego son tetraquarks. Algunas de estas resonancias se desintegran en resonancias como Z(3900) y Z(4020), que parecen estar compuestas por cinco quarks de valencia, luego son pentaquarks.

Las simulaciones por ordenador usando QCD en redes (lattice QCD) apoyan la interpretación de dichas partículas como hadrones exóticos (pentaquarks y tetraquarks). Dichas simulaciones (que requieren el uso de supercomputadores que alcancen teraflops) muestran estados con J^PC = 0⁻⁺, 1⁻⁻ y 2⁻⁺, además de estados exóticos con J^PC = 1⁻⁺, 0⁺⁻ y 2⁺⁻ (estos últimos son hadrones híbridos formados por un quarks y gluones de valencia).

Muchos experimentos están buscando los hadrones exóticos y los hadrones híbridos. BaBar (Menlo Park, California, USA), descubrió Y(4260) y Y(4360), pero finalizó sus colisiones en 2008. Belle (Tsukuba, Japan) descubrió X(3872), Z(3900), Z(4430), y Z_b, finalizando sus colisioens en 2010. Belle II (Tsukuba, Japan) será una futura continuación de Belle. BESIII (Beijing, China) ha observado Y(4260) y ha descubierto Z(3900) y Z(4020), y sigue tomando datos. LHCb (Geneva, Switzerland), el experimento del LHC especializado en la física de los quarks bottom, ha observado candiatos a tetraquarks y pentaquarks.  COMPASS (Geneva, Switzerland), GlueX (Newport News, Virginia, USA) y PANDA (Darmstadt, Germany) están buscando mesones híbridos ligeros.

En resumen, si tienes acceso y te interesa la QCD, te recomiendo la lectura del artículo publicado en Nature. Para los buenos aficionados a la física de partículas no ofrece información realmente novedosa. Sin embargo, deja claro que quedan muchos misterioes por resolver en el campo de la QCD. Tanto a nivel teórico como a nivel experimental se esperan muchas sorpresas en los próximos años.