Una esquiva partícula que se formó por primera vez en el denso y caliente universo primitivo ha desconcertado a los físicos durante décadas. Tras su descubrimiento en 2003, los científicos comenzaron a observar una serie de otros objetos extraños vinculados a las millonésimas de segundo posteriores al Big Bang.
Estas señales, que aparecen como «protuberancias» en los datos de los experimentos de alta energía, llegaron a conocerse como «estados XYZ» de corta duración. Desafían la imagen estándar del comportamiento de las partículas y son un problema en la física contemporánea, lo que ha dado lugar a varios intentos de comprender su naturaleza misteriosa.
Pero los teóricos del Acelerador Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía de Estados Unidos en Virginia, con colegas de la Universidad de Cambridge, sugieren que los datos experimentales podrían explicarse con menos estados XYZ, también llamados resonancias, de lo que se afirma actualmente.
El equipo utilizó una rama de la física cuántica para calcular los niveles de energía, o masa, de partículas que contienen un «sabor» específico de los bloques de construcción subatómicos conocidos como quarks. Los quarks, junto con los gluones, una partícula portadora de fuerza, conforman la fuerza fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza.
Los investigadores descubrieron que varios estados de partículas que comparten el mismo grado de espín (o momento angular) están acoplados, lo que significa que solo existe una única resonancia en cada canal de espín. Esta nueva interpretación es contraria a varios otros estudios teóricos y experimentales.
Los investigadores han presentado sus resultados en un par de artículos complementarios publicados para la colaboración internacional Hadron Spectrum Collaboration (HadSpec) en Physical Review Letters y Physical Review D. El trabajo también podría proporcionar pistas sobre una partícula enigmática: X(3872).
El quark charm, uno de los seis «sabores» de quarks, fue observado experimentalmente por primera vez en 1974. Fue descubierto junto con su contraparte de antimateria, el anticharm, y las partículas emparejadas de esta manera son parte de una región de energía llamada «charmonium».
En 2003, investigadores japoneses descubrieron un nuevo candidato a charmonium denominado X(3872): un estado de partícula de vida corta que parece desafiar el modelo actual de quarks.
“X(3872) ya tiene más de 20 años y todavía no hemos obtenido una explicación clara y sencilla que todos puedan aceptar”, dijo el autor principal, el Dr. David Wilson, del Departamento de Matemáticas Aplicadas y Física Teórica de Cambridge (DAMTP).
Gracias al poder de los aceleradores de partículas modernos, los científicos han detectado una mezcolanza de estados candidatos exóticos de charmonium durante las últimas dos décadas.
“Los experimentos de alta energía empezaron a detectar protuberancias, interpretadas como nuevas partículas, casi en todas partes”, dijo el coautor, el profesor Jozef Dudek de William & Mary. “Y muy pocos de estos estados coincidían con el modelo anterior”.
Pero ahora, al crear una pequeña «caja» virtual para simular el comportamiento de los quarks, los investigadores descubrieron que varias supuestas partículas XYZ podrían ser en realidad una sola partícula vista de diferentes maneras. Esto podría ayudar a simplificar la confusa maraña de datos que los científicos han recopilado a lo largo de los años.
A pesar de los pequeños volúmenes con los que trabajaban, el equipo necesitaba una enorme potencia computacional para simular todos los comportamientos y masas posibles de los quarks.
Los investigadores utilizaron supercomputadoras de Cambridge y del Laboratorio Jefferson para inferir todas las formas posibles en que los mesones (compuestos por un quark y su contraparte de antimateria) podrían desintegrarse. Para ello, tuvieron que relacionar los resultados de su diminuta caja virtual con lo que sucedería en un volumen casi infinito, es decir, el tamaño del universo.
“En nuestros cálculos, a diferencia de los experimentos, no se pueden simplemente introducir dos partículas y medir las dos que salen”, dijo Wilson. “Hay que calcular simultáneamente todos los estados finales posibles, porque la mecánica cuántica los encontrará por uno”.
Los resultados pueden entenderse en términos de una única partícula de vida corta cuya apariencia podría diferir dependiendo del posible estado de desintegración en el que se observe.
“Estamos tratando de simplificar el panorama lo máximo posible, utilizando la teoría fundamental con los mejores métodos disponibles”, dijo Wilson. “Nuestro objetivo es desentrañar lo que se ha visto en los experimentos”.
Ahora que el equipo ha demostrado que este tipo de cálculo es factible, están listos para aplicarlo a la misteriosa partícula X(3872).
“El origen de X(3872) es una incógnita”, afirmó Wilson. “Parece que está muy cerca de un umbral, que podría ser accidental o una parte clave de la historia. Es algo que estudiaremos muy pronto”.
El profesor Christopher Thomas, también de DAMTP, es miembro de la Hadron Spectrum Collaboration y coautor de los estudios actuales. La contribución de Wilson fue posible en parte gracias a una beca de ocho años con la Royal Society. La investigación también recibió apoyo parcial del Science and Technology Facilities Council (STFC), parte de UK Research and Innovation (UKRI). Muchos de los cálculos para este estudio se llevaron a cabo con el apoyo del Cambridge Centre for Data Driven Discovery (CSD3) y las instalaciones de computación de alto rendimiento DiRAC en Cambridge, administradas por la división Research Computing Services de Cambridge .
Referencia:
David J. Wilson et al. ‘ Resonancias escalares y tensoriales de armonium en dispersión de canal acoplado a partir de QCD en red ‘. Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.241901
David J. Wilson et al. ‘ Resonancias de Charmonium xc0 y xc2 en dispersión de canal acoplado a partir de QCD en red ‘. Physical Review D (2024). DOI: 10.1103/PhysRevD.109.114503
Cambridge News. Traducido al español
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