¿Cuántas partículas nuevas se han descubierto en el Gran Colisionador de Hadrones?
El descubrimiento más famoso, por supuesto,
¿Qué son los hadrones?
Entonces, ¿qué son estos 59 nuevos hadrones?Empecemos por el principio: los hadrones no son partículas elementales; los físicos lo saben desde 1964, cuando Murray Gell-Mann y George Zweig propusieron de forma independiente lo que hoy se conoce como modelo de quarks. Presentó los hadrones como partículas compuestas, que consisten en nuevos tipos de partículas elementales: los quarks.
Los quarks nacen libres, pero solo se encuentran atados ...
Frank Wilczek
Premio Nobel de Física por el descubrimiento de la libertad asintótica en la teoría de interacciones fuertes, 2004
El término "hadrón" en sí mismo proviene del griego"Hadros" es fuerte y refleja la propiedad de los hadrones para participar en interacciones fuertes. Estas son interacciones fundamentales de corto alcance que unen quarks dentro de nucleones y otros hadrones. La fuerza de esta interacción es muy superior a la fuerza de las otras tres interacciones fundamentales: electromagnética, débil y gravitacional.
Una breve descripción de las diversas familias de partículas elementales y compuestas y teorías que describen sus interacciones. Las partículas elementales a la izquierda son fermiones, a la derecha son bosones.
Los hadrones son sistemas relacionados de quarks y antiquarks. Hay dos tipos de hadrones: bariones y mesones.
- Bariones (carga bariónica B = +1) — partículas formadas por tres quarks (qqq) y siendo fermiones (J = 1/2, 3/2, ...). Los bariones incluyen, por ejemplo, el protón y el neutrón.
- Los antibióticos (B = -1) constan de tres antiquarks (). El antiprotón y el antineutrón pertenecen al grupo de los antibióticos.
- Los mesones (B = 0), que consisten en un quark y un antiquark (q), ocupan una posición intermedia. Los mesones tienen un espín entero y son bosones (J = 0, 1, 2, ...)
A su vez, los quarks son partículas fundamentales en el Modelo Estándar. Tienen una carga eléctrica múltiplo de e/3 y no es observable en estado libre.
Profesor Murray Gell-Mann en ATLAS Cave en 2012. Gell-Mann propuso el modelo de quark y el nombre "quark" en 1964 y recibió el Premio Nobel de Física en 1969. (Imagen: CERN)
¿Cómo aparecen los nuevos hadrones?
Pero al igual que los investigadores todavíadescubrir nuevos isótopos 150 años después de que Mendeleev creara la tabla periódica, la investigación de los posibles estados compuestos formados por los quarks sigue siendo un área activa de la física de partículas.
La razón de esto radica en la cromodinámica cuántica.o QCD, una teoría que describe la fuerte interacción que mantiene unidos a los quarks dentro de los hadrones. Esta interacción tiene varias características interesantes, incluido el hecho de que la fuerza de la interacción no disminuye con la distancia. Esto conduce a una propiedad que prohíbe la existencia de quarks libres fuera de los hadrones: limitación de color. Tales características hacen que esta teoría sea muy difícil desde un punto de vista matemático.
De hecho, hasta ahora la limitación del color en sí no ha sido demostrada analíticamente. Y los científicos todavía no tienen forma de predecir con precisión qué combinaciones de quarks podrían formar hadrones.
¿Qué sabemos sobre los hadrones?
En los años 60 ya se conocían más de 100tipos de hadrones. Fueron descubiertos en experimentos con aceleradores y en experimentos con rayos cósmicos. El modelo de quarks permitió a los físicos describir todo el “zoológico” como diferentes estados compuestos de sólo tres quarks diferentes: arriba, abajo y extraño. Todos los hadrones conocidos pueden describirse como compuestos de tres quarks (que forman bariones) o como pares quark-antiquark (que forman mesones). Pero la teoría también predijo otras posibles disposiciones para los quarks.
Ya en el artículo original de Gell-Mann sobre quarksEn 1964, se consideró posible la idea de partículas que contienen más de tres quarks. Los científicos de hoy saben que existen tales partículas. Y, sin embargo, se necesitaron varias décadas para confirmar experimentalmente los primeros hadrones o tetraquarks y pentaquarks de cuatro y cinco quarks.
En la siguiente imagen se muestra una lista completa de 59 nuevos hadrones descubiertos en el LHC.
Una lista completa de los nuevos hadrones descubiertos en el LHC,desagregado por año de descubrimiento (eje horizontal) y masa de partículas (eje vertical). Los colores y las formas indican el contenido de quarks de estos estados. Crédito: LHCb / CERN.
Algunas de estas partículas son pentaquarks, algunas son tetraquarks y algunas son estados nuevos (excitados) de bariones y mesones de mayor energía.
- Los pentaquarks son un grupo de compuestos subatómicos.Partículas formadas por cinco quarks. Su existencia se demostró mediante el Gran Colisionador de Hadrones en julio de 2015. Son bariones, hadrones, fermiones, resonancias. Dan lugar a una dirección de investigación en espectroscopia de hadrones: la física de los pentaquarks.
- Un tetraquark es una partícula elemental, un hadrón, que consta de dos quarks y dos antiquarks. El espín de un tetraquark sólo puede ser un número entero, por lo que sólo los mesones pueden tener una estructura de tetraquark.
- Los bariones son una familia de partículas elementales:Fermiones que interactúan fuertemente y que constan de tres quarks. En 2015 también se demostró la existencia de partículas similares de 5 quarks, llamadas pentaquarks. Los bariones principales incluyen (a medida que aumenta la masa): protón, neutrón, barión lambda, hiperón sigma, hiperón xy, hiperón omega. La masa de un hiperón omega (3278 masas de electrones) es casi 1,8 veces la masa de un protón.
- Meson es un hadrón con valor cero.número bariónico. En el modelo estándar, los mesones son partículas elementales compuestas compuestas por un número igual de quarks y antiquarks. Los mesones incluyen piones (mesones π), kaones (mesones K) y otros mesones más pesados.
Los mesones se predijeron originalmente como partículas que transportan la fuerza fuerte y son responsables de confinar protones y neutrones en los núcleos atómicos.
Todos los mesones son inestables.Debido a la presencia de energía de enlace, la masa de un mesón es muchas veces mayor que la suma de las masas de sus quarks constituyentes. Los bariones, junto con los mesones (estos últimos formados por un número par de quarks), constituyen un grupo de partículas elementales que participan en la interacción fuerte y se denominan hadrones.
El descubrimiento de estas nuevas partículas junto con las medicionessus propiedades aún proporcionan información importante para probar los límites del modelo de quarks. A su vez, esto permite a los investigadores profundizar su comprensión de la fuerza fuerte, probar predicciones teóricas y ajustar modelos. Vale la pena señalar que esto es especialmente importante para las investigaciones realizadas en el LHC. El hecho es que la interacción fuerte es responsable de la mayor parte de lo que sucede cuando los hadrones chocan. Cuanto mejor comprendan los científicos la fuerza fuerte, más precisas serán las simulaciones de estas colisiones. Como resultado, aumentarán las posibilidades de ver pequeñas desviaciones de las expectativas que puedan indicar posibles nuevos fenómenos físicos.
El primer hadrón descubierto en el LHC (LHC), χb (3P), fue descubierto por ATLAS, y los más recientes incluyen un nuevo barión extraño hermoso y excitado observado por CMS y cuatro tetraquarks descubiertos por LHCb.
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El modelo estándar es una construcción teórica enfísica de partículas elementales, que describe las interacciones electromagnéticas, débiles y fuertes de todas las partículas elementales. La formulación moderna se completó a mediados de la década de 1970 después de la confirmación experimental de la existencia de quarks.
Un fermión es una partícula o cuasipartícula con un valor de espín medio entero, el momento angular intrínseco de las partículas elementales.