LHCb observa el primer tetraquark doblemente encantado (Tcc⁺)

Por Francisco R. Villatoro, el 18 agosto, 2021. Categoría(s): Ciencia • Física • LHC - CERN • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 7

Como bien sabrás se han observado muchos tetraquarks y pentaquarks. Sin embargo, aún no sabemos cuáles son hadrones exóticos, tetraquarks y pentaquarks «verdaderos» formados por cuatro y cinco quarks de valencia, y cuáles son moléculas hadrónicas, estados ligados de mesones y bariones. En el año 2017 dos artículos concluyeron que un tetraquark doblemente encantado con una masa de 3882±12 MeV/c² era la partícula ideal para explorar la diferencia entre ambas opciones. En la conferencia internacional EPS-HEP 2021, el pasado 29 de julio, la colaboración LHCb anunció a más de diez sigmas el primer tetraquark doblemente encantado, Tcc+, con una masa de 3875 MeV/c², muy próxima a la predicción teórica. Para muchos físicos se ha encontrado el «santo grial» de los hadrones exóticos, un descubrimiento «revolucionario» en física hadrónica. Por supuesto, aún no sabemos si es un hadrón exótico o una molécula hadrónica.

Sin lugar a dudas es la gran noticia generada en el congreso EPS-HEP 2021 (European Physical Society conference on High Energy Physics). Aún no se ha publicado el artículo científico (que casi seguro aparecerá en la revista Nature), de hecho, ni siquiera ha aparecido el preprint (será LHCb-PAPER-2021-031). A pesar de ello creo que merece la pena que me haga eco de este descubrimiento, logrado tras analizar 9 fb⁻¹ de colisiones entre protones en el LHC (Run 1 y Run 2). Como muestra la figura, en el espectro de masas D0D0π+ se ha observado un estrecho pico con una anchura de 410 ± 165 ± 43 +18−38 keV, con una masa que está 273 ± 61 ± 5+11−14 keV/c² por debajo de la suma de las masas de los hadrones D∗+ y D0. Esto implica que el tetraquark Tcc+, cuyo espín-paridad es JP = 1+, puede decaer lentamente mediante la interacción fuerte en el par D∗+D0, lo que facilita el estudio detallado de sus propiedades en un colisionador de hadrones como el LHC.

Repito, aún no se ha publicado el artículo, pero puedes leer el anuncio oficial en la web de LHCb, «29 July 2021: Observation of an exceptionally charming tetraquark,» LHCb News, así como las presentaciones de Franz Muheim, «Highlights from the LHCb Experiment,» EPS-HEP, 28 Jul 2021 [indico], y de Ivan Polyakov, «Recent LHCb results on exotic meson candidates,» EPS-HEP, 29 Jul 2021 [indico]; también Mark Rayner, «New tetraquark a whisker away from stability,» CERN Courier, 29 Jul 2021. Te recomiendo la excelente pieza de Tommaso Dorigo, «Why The New Tcc+ Tetraquark Will Revolutionize Physics,» AQDS, 07 Aug 2021. Muchos medios se han hecho eco de esta noticia: Piotr Traczyk, «Twice the charm: long-lived exotic particle discovered,» CERN News, 29 Jul 2021; Davide Castelvecchi, «Exotic four-quark particle spotted at Large Hadron Collider,» Nature News, 17 Aug 2021; entre otras.

Tommaso Dorigo (miembro de la colaboración CMS, sin relación con LHCb) califica el descubrimiento del tetraquark Tcc+ como «muy relevante y emocionante, pues promete ser un gran avance en nuestra comprensión de los hadrones exóticos». Si estás perdido, te recomiendo leer mi pieza «Buscando las reglas de la QCD para los hadrones exóticos», LCMF, 23 jun 2016; así como otras sobre hadrones exóticos.

[PS 06 sep 2021] Me modificado las figuras de esta pieza con las definitivas tras la publicación de dos artículos de LHCb sobre este tetraquark (antes mostraba las figuras preliminares). Los artículos son LHCb collaboration, «Observation of an exotic narrow doubly charmed tetraquark,»  LHCb-PAPER-2021-031, arXiv:2109.01038 [hep-ex] (02 Sep 2021), y LHCb collaboration, «Study of the doubly charmed tetraquark Tcc+,»  LHCb-PAPER-2021-032, arXiv:2109.01056 [hep-ex] (02 Sep 2021). [/PS]

En el LHC se han descubierto 62 nuevas partículas, las dos últimas anunciadas en el congreso EPS-HEP 2021 (te recomiendo leer «En el LHC del CERN ya se han descubierto 60 nuevas partículas», LCMF, 14 mar 2021). Como puedes ver en esta figura, entre ellas hay seis tetraquarks (puntos rojos) y dos pentaquarks (puntos azules). Obviamente, ninguna tiene la relevancia del descubrimiento del bosón de Higgs en 2012 (que acabó con Premio Nobel en 2013). A pesar de ello, el primer tetraquark doblemente encantado promete revolucionar la física de los hadrones y quizás pueda llevar a algún Premio Nobel si se confirma su naturaleza como hadrones exóticos. Quizás recuerdes que el año pasado la colaboración LHCb publicó el descubrimiento de tres tetraquarks encantados: X(6900) o T(cc̄cc̄), y T(c̄sūd) que se observó como X₀(2900) [PDG] y X₁(2900) [PDG] («LHCb observa el tetraquark X(6900) formado por cuatro quarks encantados», LCMF, 16 jul 2020).

Obviamente, la gran pregunta sigue sin respuesta. ¿El tetraquark Tcc+ es un hadrón exótico o una molécula hadrónica? El gran problema con la interpretación como hadrón exótico es la gran proximidad entre las masas de Tcc+(3875) y de la partícula χc1(3872), ambas por debajo del umbral de masa D∗+D0. ¿Qué relación existe entre Tcc+(3875) y χc1(3872), si existe alguna? Nadie lo sabe, pero desvelarlo es un objetivo prioritario de LHCb. Como siempre, para caracterizar en detalle las propiedades de una nueva partícula primero hay que descubrirla; ya la hemos descubierto; pero su estudio detallado requerirá tiempo y el análisis de las colisiones del LHC Run 3 (que se iniciará el año próximo). Calculo que habrá que esperar como mínimo tres años (sino acaban siendo cinco).

La existencia del tetraquark doblemente encantado Tcc+ fue propuesta en 2017, tras el descubrimiento del barión doblemente encantado Ξcc++ (que está formado por dos quarks encanto y un quark arriba, o ccu, y tiene una masa de 3621.40 ± 0.78  MeV/c²). Los físicos teóricos Marek Karliner y Jonathan L. Rosner, «Discovery of the Doubly Charmed Ξcc Baryon Implies a Stable bbud Tetraquark,» Phys. Rev. Lett. 119: 202001 (15 Nov 2017), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.202001, propusieron dos nuevos tetraquarks: Tcc+ con una masa de 3882 ± 12 MeV/c², y Tbb+ con una masa de 10 389 ± 12 MeV/c². Un resultado similar fue obtenido por Estia J. Eichten y Chris Quigg, «Heavy-Quark Symmetry Implies Stable Heavy Tetraquark Mesons QᵢQⱼqₖqₗ,» Phys. Rev. Lett. 119: 202002 (15 Nov 2017), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.202002. Estas estimaciones de las masas de estos tretraquarks fueron mejoradas por Eric Braaten, Li-Ping He y Abhishek Mohapatra, «Masses of doubly heavy tetraquarks with error bars,» Phys. Rev. D 103: 016001 (04 January 2021), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.103.016001, con un resultado que se ajusta muy bien al observado por LHCb. Con la luminosidad explorada en LHCb (9 fb⁻¹) es imposible observar el tetraquark Tbb+ (habrá que esperar a que se duplique dicha luminosidad en el LHC Run 3 para obtener los primeros indicios y al futuro HL LHC para el descubrimiento con cinco sigmas).

Los tetraquarks con dos quarks pesados tienen una gran relevancia porque permiten cálculos teóricos basados en QCD mucho más precisos. Recuerda que el quark encanto (charm) tiene una masa de mc = 1.27 ± 0.02 GeV/c², mientras que el quark arriba (up) tiene mu = 2.16+0.49−0.26 MeV/c², y el quark abajo (down) tiene md = 4.67+0.48−0.17 MeV/c² (según el PDG 2021 [PDF]). La enorme diferencia de masa hace que en el tetraquark Tcc+ la dinámica de los quarks esté dominada por los quarks encantados, lo que simplifica mucho los cálculos teóricos.

En resumen, el tetraquark Tcc+ se puede estudiar con mucha menor luminosidad que Tbb+, y permite cálculos teóricos precisos de sus propiedades, con lo que promete revolucionar el campo de la física de los hadrones. ¿Se podrá saber si es un tetraquark «verdadero» o una molécula hadrónica? Nadie lo sabe, pero todo el mundo lo desea. Habrá que estar muy al tanto de los análisis de las colisiones del LHC Run 3 en este campo. Estamos viviendo tiempos apasionantes en la física de los hadrones.



7 Comentarios

  1. Estos hadrones han sido descubiertos porque los aceleradores de partículas cada vez alcanzan mayores energías? O es como cuando se descubre un objeto estelar por azar ?

    1. Fulano, mayor energía sirve para buscar partículas de mayor masa; para explorar partículas de baja masa (como estos hadrones exóticos) se requiere mayor luminosidad (es decir, mayor número de colisiones por segundo). Por otro lado, estos descubrimientos no son por serendipia (como se descubrió el muón o muchas otras partículas), sino que hay predicciones teóricas de las masas esperadas; aún así, la mayoría de las predicciones teóricas tienen grandes intervalos de incertidumbre.

  2. hola Francis
    perdon que pregunte algo fuera del tema del articulo
    vas a escribir algo sobre la ignicion del nif o cuando salga el paper?
    crees que Sparc y luego Arc del mit lograra Q mayor a 1 en 2025?

    1. Mariana, lo siento pero esperaré a que se publique algo. Por ahora solo tenemos noticias sobre la «ignición» (Q ~ 0.7), que no ignición (Q ≥ 1), sin ningún tipo de detalle (p.ej. Daniel Clery, «With explosive new result, laser-powered fusion effort nears ‘ignition’,» Science News, 17 Aug 2021); por ello no hay mucho que contar salvo copiar lo poco (por no decir nada) que dicen esas noticias.

      En cuanto a SPARC del MIT (un tokamak con un volumen de 20 m³ y una corriente en el plasma de 8.7 MA), no sé si logrará Q ≥ 1 en 2025 (no se ha publicado suficiente información técnica como para poder saberlo con seguridad). Recuerda que JET (un tokamak con un volumen de 100 m³ y una corriente en el plasma de 4.8 MA) solo logró Q = 0.67, cuando se suponía que su diseño permitía Q ≥ 1 (como se supone que permite el diseño de SPARC), y además que se inició en 1983 y logró su hito en 1997. En el campo de la fusión nuclear, hasta ahora, siempre surgen «pequeños» problemas técnicos que acaban conduciendo a que los objetivos del diseño original son imposibles de lograr. ¿SPARC logrará alguna vez Q ≥ 1? Nadie lo sabe. Pero lo habitual es que necesite unos 15 años para alcanzar su Q máximo (5 años es muy, muy poco tiempo).

      Y, por comparar, ITER es un tokamak con un volumen de 840 m³ y una corriente en el plasma de 15 MA. En los tokamaks el control del plasma para evitar inestabilidades indeseadas es más fácil a mayor volumen y mayor corriente; un tokamak de solo 20 m³, aunque alcance una corriente de 8.7 MA, contendrá un plasma tan inestable que será muy difícil de controlar para alcanzar Q = 1. Pero, como siempre, espero estar equivocado.

      1. Ramon, un tetraquark está formado por cuatro quarks (dos antiquarks y dos quarks); quizás te confundes con el barión doblemente encantado Ξcc⁺⁺, que está formado por tres quarks (dos encanto y un arriba, o ccu). El tetraquark Tcc⁺ está formado por dos encanto, un anti-arriba y un anti-abajo (ccūd̄).

  3. Hola Francis, ya con ganas de escucharte en un ratito… ¿Podría suceder que el tetraquark y la molécula hadrónica fueran la misma partícula? ¿Dónde está la diferencia, en los productos de desintegración o únicamente en la masa?

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