La sorprendente vida media del barión omega encantado

Por Francisco R. Villatoro, el 11 enero, 2022. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 4

Los bariones Lambda con encanto Λc+ (udc), Xi con encanto cargado Ξc+ (usc), Xi con encanto neutro Ξc0 (dsc) y Omega con encanto Ωc0 (ssc), que tienen un solo quark encanto, se desintegran mediante la interacción débil. En 1986 se predijo que sus vidas medias (average lifetimes) tenían que cumplir la relación τ(Ξc+) > τ(Λc+) > τ(Ξc0) > τ(Ωc0); así lo confirmaban las observaciones (desde el PDG 1996 hasta el PDG 2018). Sin embargo, el detector LHCb observó en 2018 algo sorprendente, la vida media del barión Omega con encanto incumplía dicha relación, τ(Ξc+) > τ(Ωc0) > τ(Λc+); este resultado ya aparece en el PDG 2020. Nadie sabe por qué el barión Omega encantado no sigue las predicciones de la teoría efectiva que se usa para calcular su vida media. Se necesitan avances teóricos que expliquen la razón de esta discrepancia. Un misterio más de la cromodinámica cuántica (QCD) a añadir a larga lista de los que decoran esta teoría.

La vida media del barión Ωc0 fue medida en 1995 por los experimentos E687 y WA89, valor que se incorporó al PDG 1996 (Particle Data Group). El experimento FOCUS mejoró estas medidas entre 2001 y 2003, incorporándose al PDG 2004 el valor τ(Ωc0) = (69 ± 12) fs. Este valor estaba en la línea de lo esperado para la predicción teórica de 1986. Para sorpresa de todos, la primera medida de LHCb fue τ(Ωc0) = (268 ± 26) fs, valor que se encontraba a 7.6 sigmas del valor anterior; esta era la primera vez en toda la historia de la física de partículas en la que una medida de un hadrón en un nuevo experimento se desviaba de la anterior en tantas sigmas. Pero la gran precisión del resultado de LHCb llevó a aceptar oficialmente dicho valor en el PDG 2018. LHCb confirmó en 2019 las vidas medidas previas para los otros bariones encantados. Los valores actuales (que aparecerán en el futuro PDG 2022) son τ(Ξc+) = (456 ± 5) fs, τ(Λc+) = (202.4 ± 3.1) fs, τ(Ξc0) = (152.0 ± 2.0) fs, y el sorprendente τ(Ωc0) = (274.5 ± 12.4) fs. Para estimar teóricamente estos valores se usa un desarrollo perturbativo en función del inverso de la masa de los quarks pesados (HQE, por Heavy Quark Expansion). Dicha técnica ofrece resultados aceptables para todos los bariones con quarks encanto y bottom, excepto para el Ωc0. La gran cuestión abierta en este momento es saber si dicha técnica puede ser modificada para resolver este misterio, o si hay que desarrollar una nueva técnica que logre explicar los resultados para todos estos bariones.

Sobre esta cuestión recomiendo los artículos de Hai-Yang Cheng, «The strangest lifetime: A bizarre story of τ(Ωc0),» arXiv:2111.09566 [hep-ph] (18 Nov 2021), y «Charmed Baryon Physics Circa 2021,» arXiv:2109.01216 [hep-ph] (02 Sep 2021). La última medida se publicó en LHCb collaboration, «Measurement of the lifetimes of promptly produced Ωc0 and Ξc0 baryons,» arXiv:2109.01334 [hep-ex] (03 Sep 2021). La predicción teórica original es de M.B. Voloshin, M.A. Shifman, «Lifetime hierarchy of charmed and beautiful hadrons,» JETP 64: 698-705 (1986) [web], y B. Guberina, R. Rückl, J. Trampetić, «Charmed baryon lifetime differences,» Zeitschrift für Physik C 33: 297-305 (1986), doi: https://doi.org/10.1007/BF01411150; un cálculo reciente en Hai-Yang Cheng, Yan-Liang Shi, «Lifetimes of Doubly Charmed Baryons,» Physical Review D 98: 113005 (2018), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.113005, arXiv:1809.08102 [hep-ph] (19 Sep 2018).

El detector LHCb del LHC en el CERN estimó en 2021 la vida media de los bariones Ωc0 y Ξc0 usando 5.4 fb⁻¹ de colisiones protón-protón a 13 TeV; para ello estudió la desintegración semileptónica Ωb → Ωc0µνµX, seguida de la desintegración Ωc0 → pKKπ+νµX. Los resultados obtenidos por LHCb fueron τ(Ωc0) = (276.5 ± 13.4 ± 4.4 ± 0.7) fs, y τ(Ξc0) = (148.0 ± 2.3 ± 2.2 ± 0.2) fs, que confirmaban sus resultados previos.

El cálculo teórico de la vida media de los bariones usando el método HQE conduce a un desarrollo de potencias en 1/mc. Para los bariones con quark bottom, el desarrollo en potencias de 1/mb hasta el térmico cúbico (1/mb3) está en excelente acuerdo con las medidas experimentales. Sin embargo, para los bariones con quark encanto, el término cúbico (1/mc3) y el cuadrático (1/mc2) aportan contribuciones similares; el resultado a nivel cualitativo es aceptable, pero a nivel cuantitativo es pobre; por ejemplo, la teoría predice los cocientes R1 ≡ τ(Ξc+)/τ(Λc+) = 1.03, y R2 ≡ τ(Ξc+)/τ(Ξc0) = 1.90, cuando sus valores (PDG 2018) son R1 ≡ 2.30 ± 0.04, y R2 = 3.00 ± 0.05.

La solución más obvia sería la inclusión del término cuártico (1/mc4) en el desarrollo HQE. Sin embargo, la evaluación de este término es problemática para el barión Ωc0; depende de un parámetro llamado de supresión (α) cuyo valor se puede estimar para todos los bariones con encanto (como muestra la tabla), salvo para Ωc0; se ha conjeturado que el término cuártico podría estar entre 230 y 330, lo que lo haría compatible con la medida experimental de 274.5 ± 12.4, sin embargo, esta conjetura es más un deseo que un cálculo. Todo parece indicar que una estimación del parámetro de supresión, y con él del término cuártico del desarrollo HQE, requiere ir más allá del propio desarrollo HQE. Sin lugar a dudas habrá progresos teóricos en esta línea en los próximos años. Quizás conduzcan a la solución del misterio de la vida media del barión Omega con encanto.



4 Comentarios

  1. Que caso mas extraño y misterioso que saltara una diferencia tan grande entre medidas experimentales y la predicción de los cálculos teóricos. No podría venir al rescate la ayuda de las nuevas supercomputadoras para mejorar los cálculos? o se necesitara nuevas herramientas matemáticas en este caso.

    1. Ni idea, Macuto, a priori todos los caminos están abiertos hacia la solución de este problema. Quizás la QCD en el retículo (gracias a superordenadores) sea útil, o quizás se requieran nuevas herramientas matemáticas, pero quizás solo sea necesario el trabajo de físicos jóvenes con mucha creatividad y nuevas ideas para enfocar el cálculo (sin necesidad de nuevas herramientas).

    1. Javier, en el cálculo la polarización del vacío hadrónico (HVP) se incluye una contribución asociada al quark encanto (pero no se tiene en cuenta el bottom). No parece que la causa de esta discrepancia esté relacionado con propiedades del quark charm que pudieran influir en dicha contribución a la HVP (pues no se observa con otros bariones con encanto). Así que hasta donde me consta no creo que tenga ninguna relación.

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