La física de partículas parece sencilla, se observa un exceso sobre el fondo esperado que se interpreta como señal de una nueva partícula, al principio con pocas sigmas, que se acumulan hasta alcanzar cinco sigmas y se proclama un descubrimiento. Más fácil imposible. Pero no siempre es tan fácil. En 2008, el detector CDF del Tevatron observó la resonancia Y(4140) con 3.8 sigmas (LCMF, 19 mar 2009). Fue confirmada por CMS del LHC en 2012 con 5.5 sigmas, pero no se podía proclamar su descubrimiento; ni Belle en 2010, ni LHCb en 2012, ni más tarde BaBar en 2015 lograron observarla (LCMF, 05 dic 2012). Una situación incómoda, sobre todo para CDF, el primer descubridor. Acudió en su ayuda su experimento hermano, DZero del Tevatron, que la observó en 2014 a 3.1 sigmas. CDF decidió reanalizar sus datos originales hasta alcanzar las 5 sigmas en 2017. Con dos experimentos superando esta cota se debería proclamar un descubrimiento. Pero la duda acechaba y además se publicaron artículos teóricos en contra de la existencia de Y(4140).

Ante esta situación la única opción era intentar observar la partícula con otros modos de producción. DZero en 2015 publicó nuevos indicios, pero BESIII en 2015 seguía sin observar nada. Parecía que el nombre Y(4140) estaba gafado; había que cambiarle el nombre a X(4140). La pelota estaba en el campo de LHCb, en su análisis de las colisiones de todo el LHC Run 1 (2011–2012). LHCb publicó en 2017 la observación de X(4140) con 8.4 sigmas; más aún, sus números cuánticos eran J^PC = 1⁺⁺, que indicaba que era un tetraquark , formado por dos pares quark-antiquark tipo encanto (c) y tipo extraño (s). El asunto quedó fuera de toda duda. De hecho, LHCb publicó en 2021 su búsqueda en las colisiones del LHC Run 2 (2016–2018) obteniendo 13 sigmas. La partícula estaba descubierta fuera de toda; para los libros de historia, su descubridor fue CDF.

Como es obvio, te preguntarás qué pasó, por qué Belle, BaBar, BESIII y LHCb, este último al principio, no fueron capaces de observar este tetraquark. La razón es sencilla, como desveló LHCb en 2017, hay cuatro partículas muy cercanas, X(4140), X(4274), X(4500) y X(4274), cuya resonancia es bastante ancha, con lo que se superponen sus excesos sobre el fondo. Solo gracias a la gran resolución energética de LHCb se pudieron separar los picos con claridad en 2017 (como muestra la figura que abre esta pieza); así se observaron con 8.4, 6.0, 6.1 y 5.6 sigmas, resp., estas partículas con números cuánticos J^PC = 1⁺⁺, 1⁺⁺, 0⁺⁺, y 0⁺⁺. En 2021 en LHCb fueron observadas en dos modos de producción (como muestra la figura justo encima) con 13 (16), 18 (18), 20 (20) y 17 (18) sigmas. Cualquier atisbo de duda desaparece ante figuras como estas. En este tipo de estudios de hadrones exóticos, LHCb no tiene rival. Pero el descubridor de X(4140) para los libros de historia sigue siendo CDF.

Los interesados en la estimación de la masa y anchura de estos tetraquarks pueden consultar los artículos de LHCb, de donde he extraído las figuras, que son LHCb Collaboration, «Observation of 𝐽/𝜓⁢𝜙 Structures Consistent with Exotic States from Amplitude Analysis of 𝐵+→𝐽/𝜓⁢𝜙⁢𝐾+ Decays,» Physical Review Letters 118: 022003 (11 Jan 2017), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.022003, arXiv:1606.07895 [hep-ex] (25 Jun 2016); y LHCb Collaboration, «Observation of New Resonances Decaying to 𝐽/𝜓⁢𝐾+ and 𝐽/𝜓⁢𝜙,» Physical Review Letters. 127: 082001 (17 Aug 2021), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.082001, arXiv:2103.01803 [hep-ex] (02 Mar 2021). El artículo que inicia esta historia es CDF Collaboration, «Evidence for a Narrow Near-Threshold Structure in the 𝐽/𝜓⁢𝜙 Mass Spectrum in 𝐵+→𝐽/𝜓⁢𝜙⁢𝐾+ Decays,» Physical Review Letters 102: 242002 (15 Jun 2009), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.102.242002, arXiv:0903.2229 [hep-ex] (12 Mar 2009), y su reanálisis es CDF Collaboration, «Observation of the Y(4140) structure in the J/ψϕ Mass Spectrum in B±→J/ψϕK cays,» Modern Physics Letters A 32: 1750139 (27 Jul 2017), doi: https://doi.org/10.1142/S0217732317501395, arXiv:1101.6058 [hep-ex] (31 Jan 2011); este artículo apareció en 2011 en arXiv, siendo enviado a Physical Review Letters, donde fue rechazado; acabó publicado en 2017, por ello lo he citado como artículo de 2017 (que, además, me venía bien para el hilo de la historia; pido perdón a quien se sienta engañado por esta licencia poética). Y lo siento por los interesados, pero omito los demás artículos citados (CMS, Belle, LHCb, BaBar, Dzero y BESIII).

[PS 06 sep 2024] En la red social BlueSky, Pablo G. Ortega, ‪@ortegapg.bsky.social‬, comenta: «El estudio de estas estructuras es muy complejo. A esas energías es muy difícil resolver todos los picos experimentalmente, hay de todo y todo está muy junto. Puedes tener picos causados por resonancias auténticas, estados virtuales, interferencias entre picos, apertura de umbrales… En el caso de la X(4140) lo lógico sería mirar primero una estructura tipo charmonio (c-cbar), pero los modelos quark no dan un estado en ese rango de masas. El más cercano es el 3-3P1 (tercera excitación radial de un estado 1++), pero su masa suele predecirse sobre 4.3 GeV, así que no cuadra. Podría ser un tetraquark compacto (un estado de 4 quarks ccss), pero son complicados de producir. Otra opción es que sea una molécula hadrónica, y en este caso tenemos cerca los umbrales J/psi-phi y DsDs*. Si uno mira ahí se ve que la interacción no es suficiente para crear un estado ligado, pero sí es lo suficientemente grande para crear un exceso sobre el umbral J/psi-phi, que se ve como un pico. Es lo que estudiamos en un estudio de 2016, donde asignamos la X(4140) a un ‘threshold cusp’ causado por los canales J/psi-phi y DsDs*. Como conclusión: No todos los picos experimentales son estados genuinos, hay otros efectos cinemáticos, como es el caso de la X(4140) en nuestro análisis. La espectroscopía hadrónica es compleja, pero necesaria para poder separar estados convencionales de verdaderos estados exóticos.

Pablo cita su artículo Pablo G. Ortega, Jorge Segovia, …, Francisco Fernández, «Canonical description of the new LHCb resonances,» Physical Review D 94: 114018 (19 Dec 2016), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.94.114018, arXiv:1608.01325 [hep-ph] (03 Aug 2016). [/PS]