TOTEM y DZero publican el descubrimiento del odderon

Por Francisco R. Villatoro, el 10 marzo, 2021. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 5

Los detectores principales del LHC están enfocados en las colisiones inelásticas de protones contra protones, es decir, entre los quarks, antiquarks y gluones que los constituyen. Las colisiones elásticas son menos interesantes, pero permiten observar estados gluónicos o glubolas, estados sin hipercarga de color formados por gluones de valencia, intercambiados entre los protones; en 1973 se teorizó la existencia de un estado con un número impar (odd) de gluones de valencia, bautizado odderon (oddball). Ya había indicios en 2018 de DZero (Tevatrón, Fermilab) y de TOTEM (LHC, CERN) a más de 3 sigmas (LCMF, 30 ene 2018). Ahora se publica que TOTEM alcanza 4.6 sigmas con colisiones a 13 TeV c.m., que combinados con DZero superan las 5.2 sigmas. El resultado es compatible con la observación de un odderon formado por tres gluones de valencia (en un «mar» con infinidad gluones y pares quark–antiquark virtuales). Todo hito que pasará a los libros de historia de la física como uno de los grandes descubrimientos del LHC.

Los estados gluónicos predichos por la QCD (Cromodinámica Cuántica) que se pueden observar en colisiones elásticas de hadrones se denominan reggeons (en honor a Tullio Regge); cuando su número de gluones de valencia es par se usa el término pomeron y cuando es impar odderon; se suele reservar el término «glubola» (glueball) cuando el número de gluones de valencia es tan grande que no se sabe si es par o impar. La primera observación del odderon, una «oddbola», se puede considerar la primera observación de una «glubola», un resultado mayor que brilla con luz propia entre las 60 nuevas partículas hadrónicas descubiertas por el LHC (que no son partículas fundamentales como el bosón de Higgs, pero que son nuevas partículas si el protón es una partícula).

La figura muestra los resultados de TOTEM (13 TeV) y DZero (1.96 TeV) para la dispersión elástica de protones y antiprotones en función del momento lineal en la dirección transversal, el llamado canal t. Los datos de TOTEM se han extrapolado hasta 1.96 TeV (pues la energía más baja usada en las colisiones del LHC ha sido de 2.76 TeV). La teoría predice que el odderon introduce un exceso (bump) precedido de un defecto (dip); en las colisiones protón-antiprotón de DZero (círculos azules) no se observa claramente esta característica, que brilla en todo su esplendor en las colisiones protón-protón de TOTEM (triángulos rojos). El defecto (dip) se ha observado a 3.4 sigmas. La interpretación de la curva completa, combinando datos de DZero y TOTEM permite obtener una evidencia superior a cinco sigmas (entre 5.2 y 5.7 sigmas según el modelo teórico).

El artículo es DZero and TOTEM Collaborations, «Comparison of pp and p\bar{p} differential elastic cross sections and observation of the exchange of a colorless C-odd gluonic compound,» arXiv:2012.03981 [hep-ex] (07 Dec 2020); este resultado se anunció en Christophe Royon (On behalf of the D∅ and TOTEM Collaborations), «Odderon dicovery in D∅/TOTEM,» LHC Forward Physics Meeting, 5 Mar 2021 [indico]; más información divulgativa en Matthew Chalmers, «Odderon discovered,» CERN Courier, 09 Mar 2021.

En ciertos medios se han hecho eco del artículo teórico de físicos húngaros T. Csörgő, T. Novák, …, I. Szanyi, «Evidence of Odderon-exchange from scaling properties of elastic scattering at TeV energies,» The European Physical Journal C 81: 180 (26 Feb 2021), doi: https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-021-08867-6, arXiv:1912.11968 [hep-ph] (27 Dec 2019). También recomiendo M. A. Braun, «The QCD odderon in elastic (anti)proton scattering,» The European Physical Journal C 81: 159 (16 Feb 2021), doi: https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-021-08943-x, arXiv:2008.06231 [hep-ph] (14 Aug 2020), y, sobre los resultados de 2018, también Evgenij Martynov, Basarab Nicolescu, «Odderon effects in the differential cross-sections at Tevatron and LHC energies,» The European Physical Journal C 79: 461 (30 May 2019), doi: https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-019-6954-6, arXiv:1808.08580 [hep-ph] (26 Aug 2018).

En este blog ya me hice eco de la observación a unas tres sigmas publicada en 2018 en «TOTEM observa un candidato a glubola formada por tres gluones», LCMF, 30 ene 2018.

[PS 23 mar 2021] Olvidé citar la pieza de Tommaso Dorigo, «Who Discovered The Odderon?» AQDS, 14 Mar 2021. [/PS]

Source: G. Latino (La Thuile, 2008) https://indico.cern.ch/event/29734/

TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement) es uno de los siete experimentos del LHC, junto a ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, LHCf y MoEDAL. Los detectores de TOTEM se encuentran en el punto 5 (IP5) del LHC, a ambos lados de CMS (Compact Muon Solenoid); en la figura se denominan T1 y T2, que se encuentran a a 147 y 220 metros de IP5, a ambos lados. Por cierto, LHCf está formado por dos detectores a 140 metros de ATLAS (en el punto 1 del LHC) y estudia física similar a TOTEM; también lo hace AFP (ATLAS Forward Proton) que usa cuatro detectores colocados a ambos lados del IP1 a distancias de 205 y 217 metros. Se espera que LHCf y AFP puedan replicar el resultado de TOTEM en un futuro no muy lejano.

T2 (TOTEM) a 220 metros del IP5 en el túnel del LHC. Foto de M. Brice (CERN PHOTO).

Se llama pseudorrapidez (η) al ángulo acimutal en coordenadas cilíndricas medido desde la dirección perpendicular al tubo por el que se mueven los protones en el LHC. En lugar de medir el ángulo como suele ser habitual (0º para la vertical y ±90º para la dirección del tubo) se usa una transformación matemática tal que η=0 corresponde a la vertical y η=∞ a la dirección del tubo. El detector CMS puede observar colisiones con una pseudorrapidez  |η|< 2,2, mientras que TOTEM alcanza valores de 5,3 < |η| < 6,4. Por ello, TOTEM permite estudiar los protones que se emiten desde el punto de colisión con una ángulo muy pequeño respecto a los tubos del LHC, la llamada «física en la dirección de los haces» (forward physics), o «física de alta pseudorrapidez».

Source: C. Royon (TOTEM–DZero) https://indico.cern.ch/event/955960/contributions/4246688/

Los detectores CMS y ATLAS están enfocados en las colisiones inelásticas protón contra protón, en las que se producen nuevas partículas que sustituyen a los protones incidentes. También se producen colisiones elásticas (alrededor del 25 % del total), en las que los protones intercambian gluones y pares quark-antiquark virtuales, pero retienen su identidad tras la colisión (aunque su trayectoria se desvía unos milímetros respecto al haz a unos cientos de metros de distancia, lo que permite su detección usando TOTEM). Las colisiones elásticas permiten observar estados gluónicos predichos formados por gluones de valencia (en lugar de estados hadrónicos formados por quarks de valencia). En la dirección transversal a la dirección de los protones, el llamado canal t, e pueden intercambiar gluones entre ambos protones; si hay más de un gluón intercambiado se denominan pomeron (estado C-par) y odderon (estado C-impar), ya que se interpreta la colisión elástica como el intercambio de un estado sin hipercarga de color (colorless) con un número par e impar de gluones de valencia. Obviamente, estos estados están formados por una infinidad de gluones virtuales acompañados de una infinidad de pares quark-antiquark virtuales. El término general para describir los estados gluónicos sin hipercarga de color es glubolas, siendo preferido este término cuando no podemos contar el número de gluones de valencia (reservándose los términos pomeron y odderon cuando se puede estimar el número de gluones de valencia intercambiados).

Estos estados gluónicos se han estudiado en TOTEM en colisiones específicas en el LHC a baja energía (2.76 TeV) y en las colisiones del LHC a energías en el centro de masas de 7, 8 y 13 TeV. Se observa claramente en la figura la existencia de un mínimo o defecto (dip) y un máximo o exceso (bump) que está conforme con las predicciones de los modelos teóricos. Dicha estructura ya se observó en las colisiones protón-antiprotón a 1.96 TeV del Tevatrón usando el detector DZero (a veces llamado D∅). Los resultados de TOTEM extrapolados a 1.96 TeV tienen un error mayor que los DZero, pero muestran una diferencia a unas 3.4 sigmas compatible con la esperada según los modelos teóricos cuando se comparan colisiones protón-antiprotón y protón-protón; este punto se considera clave para la interpretación de las observaciones como el descubrimiento del odderon.

En resumen, todo descubrimiento en física de partículas requiere evidencias en al menos dos detectores; para el odderon se ha logrado combinando DZero (Tevatrón) y TOTEM (LHC). Por cierto, CDF (el otro detector del Tevatrón) no disponía de detectores de alta pseudorrapidez, con lo que no puede aportar más información; pero AFP (LHC) puede hacerlo, así que es de esperar que confirme el resultado de DZero+TOTEM. Aún así, bastan dos detectores, con lo que se puede afirmar sin rubor que se ha logrado todo un hito histórico en el LHC.



5 Comentarios

  1. Es extraordinario que los experimentos en los colisionadores estén dando tan buenos resultados. A este paso, en unas décadas vamos a tener una cantidad ingente de conocimientos sobre el comportamiento y la naturaleza de las partículas.
    Tengo unas dudas; Qué mecanismo hace que los gluones de valencia una vez se han separado tras la colisión protón – protón se vuelvan a agrupar en diferentes cantidades? Y, por qué solo sucede con los gluones de valencia?

    Gracias por el contenido y trabajo que ofrecéis.

    1. El mecanismo por el que preguntas se llama confinamiento (de color). Esta propiedad característica de la QCD es responsable de que no exista ni quarks ni gluones libres; solo pueden existir en partículas compuestas de hipercarga de color total nula (como los hadrones y las glubolas). Afecta tanto a quarks como gluones, tanto los de valencia como los virtuales. Busca en mi blog más información sobre el confinamiento de quarks y gluones si nunca oíste hablar de él.

  2. Aunque se menciona a los gluones de la interacción fuerte como fotones, se distingue claramente por sus propiedades que son muy diferentes a los del electromagnetismo. Desde que su propagación es en un espacio muy confinado a que pueden formar estos estados que me imagino no tiene paralelo en las otras interacciones.

  3. Francis, ¿se sabe algo sobre la masa de esta glubola? Aunque los gluones no tienen masa, estos estados creo que sí deben tener. ¿La han podido medir o solamente se han encontrado evidencia de que existe este estado? ¿Se puede obtener a partir del bump y el dip? No parece la típica curva Breit-Wigner.

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