Richard Feynman (1918-1988), premio Nobel de física y considerado como uno de los más grandes catedráticos de todos los tiempos, una vez planteó en sus famosos apuntes de física la siguiente pregunta: “si en algún cataclismo todo el conocimiento fuera a ser destruido y sólo un enunciado pudiera pasar a la siguiente generación, ¿cuál sería el que contendría la mayor cantidad de información con el menor número de palabras?” Una pregunta fascinante, cuya respuesta podría bien variar dependiendo de quien la diera: un biólogo, un político, un matemático… Para Feynman sólo había una respuesta obvia: “La hipótesis atómica, que todas las cosas están hechas de átomos: pequeñas partículas que se encuentran en movimiento perpetuo, que se atraen unas a otras cuando están a una pequeña distancia, pero que se repelen cuando se les trata de apretar unas contra otras”.
La verificación experimental del concepto griego de “átomo” como la unidad o bloque indivisible de la materia ha sido considerado por Feynman como el descubrimiento más importante de la humanidad. Sin embargo, a diferencia del “átomo griego”, se ha encontrado que los bloques indivisibles de la materia, a los cuales llamaremos de aquí en adelante partículas elementales para no confundirlos con el concepto de átomo químico[1], pueden sufrir transformaciones entre ellos, convertirse en energía, y viceversa.
La física de partículas surge como una disciplina dedicada a la clasificación de las partículas elementales y al entendimiento de las interacciones entre ellas. Como ejemplos de partículas tenemos a los neutrones y protones que juntos forman el núcleo atómico. Alrededor del núcleo pueden circular electrones, en cuyo caso se forma el átomo químico. En conjunto protones, neutrones y electrones forman una parte de la materia común de la cual están hechos los átomos, moléculas, etc. Estrictamente los neutrones y protones no son elementales, pues experimentalmente se ha encontrado que poseen una estructura interna formada por partículas más fundamentales. Sus constituyentes, hasta ahora considerados elementales, son los llamados quarks (vea figura 1).
Materia ordinaria
La materia ordinaria no sólo incorpora a los protones, neutrones y electrones que comúnmente encontramos en la naturaleza. Abarca también a una amplia gama de partículas llamadas hadrones que están compuestas por quarks (como los piones (π), los kaones (K), etcétera) y a un grupo de partículas conocidas como leptones que, además de englobar al famoso electrón (e), contiene también a sus “primos” pesados, el muón (μ) y el tau (τ), y a sus respectivos neutrinos (νe, νμ y ντ – léase neutrino del electrón, del muon y del tau, respectivamente) que son partículas muy penetrantes y sin carga eléctrica. En la Tierra, tanto hadrones como leptones son creados en los grandes colisionadores de partículas, en las colisiones de rayos cósmicos con la atmósfera y en el decaimiento de elementos radioactivos (en el caso de leptones). Las estrellas mismas, los elementos químicos de la tabla periódica e incluso aquellos muy pesados y efímeros creados en supernovas o artificialmente en laboratorios de física nuclear están formados por materia ordinaria. Más aún, se le considera materia ordinaria a la llamada antimateria (vea Revista Saber Más No. 10 pp. 25-33). Increíblemente, como se muestra en la figura 2, la materia ordinaria sólo constituye aproximadamente un 5% de la materia y la energía total del universo. De cualquier forma, a pesar de no ser tan abundante como la materia y energía oscura, la materia ordinaria presenta varias sorpresas entre las que se encuentran partículas bastante “exóticas”, como veremos a continuación.
El zoológico hadrónico y materia con encanto
La existencia de quarks arriba (u), abajo (d) y extraño (s) se comprobó entre 1967 y 1973 en el laboratorio SLAC (California, EUA). Posteriormente, en 1974, dos equipos, uno en SLAC y otro en BNL (Nueva York, EUA), observaron independientemente la partícula llamada J/ψ (un equipo le llamó J y el otro ψ – léase “psi”), que por su masa debía estar compuesta necesariamente de un nuevo quark, que se bautizó encanto (c), y su antipartícula (c-). De la misma forma, en 1977 se descubrió el quark fondo (b) en la laboratorio Fermilab (Illinois, EUA), derivado de la observación de la partícula ípsilon (ϒ).
Los quarks u y c tienen una carga eléctrica de +2/3 la del protón, mientras que los quarks tipo d, s y b tienen una carga eléctrica negativa equivalente a -1/3 la del protón. Ahora bien, el protón está compuesto de dos quarks u y uno tipo d que suman una carga eléctrica de 2 x (2/3) + 1 x (-1/3) = 1 (una carga positiva de magnitud igual a la del protón). Análogamente, un neutrón está compuesto por un quark u y dos d que suman una carga eléctrica igual a 0 (carga neutra).
Una peculiaridad de los quarks es que no se les encuentra libres en la naturaleza. El hecho es que mientras más alejado se encuentre un quark de otro, con más intensidad se atraerán. Por esta razón los físicos han sido forzados a estudiar las propiedades de los quarks a través de los compuestos que forman, llamados hadrones.
La lista de hadrones descubiertos prácticamente ocupa todo el alfabeto griego y latino, y cuando han hecho falta letras se ha recurrido a subíndices, superíndices o números. Consideremos por ejemplo el conjunto de partículas con encanto, cc-, que se muestran en la figura 3, llamados charmonium. Todas las partículas en la figura (ηc, J/ψ, ψ’, etc.) tienen la misma composición, un c y un c-, sin embargo, poseen diferentes propiedades intrínsecas llamadas números cuánticos, y, además, distintas masas. Esta configuración de dos partículas es muy parecida al bien conocido átomo de hidrógeno, compuesto por un electrón y un protón, el cual se puede encontrar en distintos estados de energía con distintos valores de momento angular J (cantidad que caracteriza la simetría ante rotaciones del objeto estudiado). En la figura 3, las partículas charmonium están clasificadas por sus números cuánticos JPC en el eje horizontal[2] y por su masa en el eje vertical[3].
El sistema charmonium es de hecho más parecido al sistema conocido como positronio, formado por un electrón y su antipartícula, el positrón, que tiene la misma masa pero carga opuesta que la del electrón. La analogía se esquematiza en la figura 4. Sin embargo, mientras que la fuerza que une al positronio es de tipo electromagnética, la que une al charmonium es muy diferente y se le conoce como interacción nuclear fuerte.
De esta forma el siglo XX se caracterizó por el constante descubrimiento de nuevas partículas que contribuyeron a extender el zoológico hadrónico. Al mismo tiempo los físicos desarrollaron modelos para clasificarlas dentro de un marco teórico simple y congruente. Varios de estos modelos motivaron la búsqueda de partículas elementales más pesadas. Naturalmente se esperaba la existencia de un quark más pesado que el b, llamado cima (t), que debería tener carga +2/3 la del protón. Su descubrimiento se obtuvo en 1995, 20 años después de la observación del ϒ(bb-), con la construcción de un acelerador de casi 7 km que hacía colisionar protones contra antiprotones llamado Tevatrón, en Fermilab. En comparación, para el recientemente descubierto bosón de Higgs se construyó el Gran Acelerador de Hadrones, o LHC, de 27 km de circunferencia (vea figura 5).
La misteriosa partícula X
Hasta hace una década, prácticamente no había duda de que sólo había dos posibles tipos de hadrones de acuerdo a la combinación de quarks: bariones, como el protón, formados por trios de quarks (qqq), y mesones, compuestos por pares quark-antiquark (qq-). El ejemplo más sencillo de mesón es el pión cargado, π+(υd-). Sin embargo, en 2003, el experimento Belle (Tsukuba, Japón) que estudiaba las colisiones de electrones y positrones observó un patrón inesperado en la distribución final de masas que se obtiene de la combinación de un mesón J/ψ y dos piones cargados que parecen provenir de un punto en común cercano a la colisión. Una observación más clara y reciente por el experimento CMS (figura 6), que estudia las colisiones del LHC entre dos protones, muestra la existencia de un pico en la distribución mencionada alrededor de 3.872 GeV (un GeV son mil MeV). Dicho pico, que representa la producción de una partícula de carga neutra, se denominó X(3872) o simplemente partícula X.
La partícula X sería la primera de las llamadas partículas exóticas con encanto, que a nivel teórico abrieron un nuevo capítulo en la física de partículas. El encanto se infiere fácilmente, pues el X(3872) se desintegra directamente a una partícula del grupo charmonium (J/ψ de la figura 3). Por otro lado, el adjetivo exótico proviene de que la masa del X(3872) no coincide con ninguno de los estados posibles del grupo charmonium referido (líneas sólidas de la figura 3). Es decir, además de cc-, la partícula X debería estar compuesta por otros quarks. La opción más sencilla, que conserva la neutralidad de la carga, es un quark y un anti-quark adicionales, lo que daría cc-υυ- ó cc-dd-. A pesar de que esta partícula de cuatro quarks, llamada tetraquark, no está prohibida teóricamente, nunca antes había surgido evidencia de tal estructura.
La cercanía de la masa del X(3872) con la suma de las masas de los mesones D0 y D*0, sugiere que, más que ser un tetraquark, definido como un sistema bien amarrado de cuatro quarks (diquark-diantiquark), se trata de una molécula formada por un D0(cυ-) y su antipartícula excitada D*0(c-u). Los dos mesones D se mantienen unidos debido al intercambio de un mesón π que comunica la fuerza de atracción entre ellos. La figura 7 esquematiza la diferencia entre las distintas hipótesis.
La teoría del tetraquark implica necesariamente la existencia de compañeros cargados: X+(cc-ud-) y X-(cc-du-). Tales partículas no han sido observadas, y la probabilidad de su existencia de acuerdo al experimento está muy por debajo de las predicciones teóricas, por lo que el modelo de tetraquarks ha sido rechazado. De igual manera existe otro modelo llamado de encanto híbrido (ver figura 7), donde el X(3872) es un estado con dos quarks unidos por un gluón (cc-g).[4] Éste también fue descartado fácilmente pues predecía una masa muy por arriba de 3.872 GeV. Una hipotesis aún más exótica es la que supone al X(3872) constituido puramente de gluones, llamado glueball, pero ésta prohibe ciertos decaimientos que, de hecho, ya han sido observados en los experimentos.
Aunque el modelo favorecido es el de un estado molecular, existen otras hipótesis aún más elaboradas o exóticas para describir a la partícula X. Sólo mediante mediciones más precisas de su masa, razones de producción, fracciones de desintegración a otras partículas, entre otras, será posible determinar su verdadera naturaleza y el modelo teórico adecuado para su descripción.
Existe evidencia de más partículas exóticas con encanto, como la Y(4260) que posiblemente sea la primera partícula híbrida descubierta. O la reciente observación de las llamadas Zc(3900) y Zc(4020) que por el valor de su carga eléctrica se cree que deben estar formadas por al menos 4 quarks. Sin embargo, sólo la existencia de la partícula X está fuera de toda duda.[5]
México participa en los esfuerzos para estudiar partículas exóticas con encanto a través de una colaboración formada por investigadores de varias universidades e institutos de investigación del país que participan en los experimentos CMS del CERN (Suiza), DZero del Fermilab (EUA), y próximamente, Belle II del KEK (Japón).
Carlos Arturo Pérez Alanis es Licenciado en Ciencias Físico-Matemáticas por la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo y Dr. Iván Heredia de la Cruz es investigador de la UMSNH en la Coordinación de la Investigación Científica y colaborador de los experimentos CMS del CERN y DZero del Fermilab.
[1] Actualmente un átomo es considerado como la parte más pequeña que caracteriza a un elemento químico. Está compuesto por un núcleo de carga eléctrica positiva rodeado por un cierto número de electrones.
[2] Los números cuánticos P y C describen las simetrías de paridad y conjugación de carga de una partícula, respectivamente. La paridad caracteriza el comportamiento de una partícula cuando se ve en un espejo: si su mano derecha pasa a ser su mano izquierda frente a un espejo (como suele suceder), la paridad se considera negativa; si conservara su carácter derecho ante la reflexión, se consideraría positiva. Por otro lado, la conjugación de carga es una operación que reemplaza partículas por antipartículas (y viceversa) en las ecuaciones que describen a las partículas elementales.
[3] Un MeV, o Mega-electrón-Volt, es una unidad de medida de masa muy utilizada en física de partículas. Por ejemplo, un protón pesa 938 MeV.
[4] El gluón es la partícula que comunica la fuerza nuclear fuerte entre quarks, también responsable de mantener unidos a los protones en un átomo, venciendo a la fuerza de repulsión eléctrica que existe entre ellos.
[5] Al tiempo en que se realizaba la edición de este artículo, el experimento LHCb del CERN anunció la confirmación inequívoca de la existencia de una partícula formada por al menos cuatro quarks, llamada Z(4430)-.
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