Un pentaquark es una partícula subatómica creada por el hombre , compuesta por cuatro quarks y un antiquark unidos entre sí ; no se sabe si existen de forma natural o fuera de experimentos realizados específicamente para crearlos.
Como los quarks tienen un número bariónico de ++1/3 , y antiquarks de −+1/3 , el pentaquark tendría un número bariónico total de 1, y por lo tanto sería un barión . Además, debido a que tiene cinco quarks en lugar de los tres habituales que se encuentran en los bariones regulares ( también conocidos como "triquarks"), se clasifica como un barión exótico . El nombre pentaquark fue acuñado por Claude Gignoux et al. (1987) [1] y Harry J. Lipkin en 1987; [2] sin embargo, la posibilidad de partículas de cinco quarks se identificó ya en 1964 cuando Murray Gell-Mann postuló por primera vez la existencia de quarks . [3] Aunque se predijeron durante décadas, los pentaquarks resultaron sorprendentemente difíciles de descubrir y algunos físicos comenzaron a sospechar que una ley desconocida de la naturaleza impedía su producción. [4]
El primer descubrimiento de pentaquark se registró en LEPS en Japón en 2003, y varios experimentos a mediados de la década de 2000 también informaron descubrimientos de otros estados de pentaquark. [5] Sin embargo, otros investigadores no pudieron replicar los resultados de LEPS, y los otros descubrimientos de pentaquark no fueron aceptados debido a la falta de datos y análisis estadístico. [6] El 13 de julio de 2015, la colaboración LHCb en el CERN informó resultados consistentes con estados de pentaquark en la desintegración de bariones Lambda inferiores ( Λ0b
). [7]
El 26 de marzo de 2019, la colaboración LHCb anunció el descubrimiento de un nuevo pentaquark que no se había observado previamente. [8] El 5 de julio de 2022, la colaboración LHCb anunció el descubrimiento del PΛψs
(4338) 0 [a] pentaquark. [9]
Fuera de los laboratorios de investigación de partículas, los pentaquarks podrían producirse naturalmente en los procesos que dan lugar a la formación de estrellas de neutrones . [10]
Un quark es un tipo de partícula elemental que tiene masa , carga eléctrica y carga de color , así como una propiedad adicional llamada sabor , que describe qué tipo de quark es (arriba, abajo, extraño, encanto, arriba o abajo). Debido a un efecto conocido como confinamiento de color , los quarks nunca se ven por sí solos. En cambio, forman partículas compuestas conocidas como hadrones de modo que sus cargas de color se cancelan. Los hadrones hechos de un quark y un antiquark se conocen como mesones , mientras que los hechos de tres quarks se conocen como bariones . Estos hadrones "regulares" están bien documentados y caracterizados; sin embargo, no hay nada en teoría que impida que los quarks formen hadrones "exóticos" como tetraquarks con dos quarks y dos antiquarks, o pentaquarks con cuatro quarks y un antiquark. [4]
Existe una amplia variedad de pentaquarks posibles, y diferentes combinaciones de quarks producen diferentes partículas. Para identificar qué quarks componen un pentaquark determinado, los físicos utilizan la notación qqqq q , donde q y q se refieren respectivamente a cualquiera de los seis tipos de quarks y antiquarks. Los símbolos u, d, s, c, b y t representan los quarks up , down , strange , charm , bottom y top respectivamente, y los símbolos u , d , s , c , b y t corresponden a los respectivos antiquarks. Por ejemplo, un pentaquark formado por dos quarks up, un quark down, un quark charm y un antiquark charm se denotaría uudc c .
Los quarks están unidos entre sí por la fuerza fuerte , que actúa de tal manera que cancela las cargas de color dentro de la partícula. En un mesón, esto significa que un quark está asociado con un antiquark con una carga de color opuesta (azul y antiazul, por ejemplo), mientras que en un barión, los tres quarks tienen entre ellos las tres cargas de color: rojo, azul y verde. [b] En un pentaquark, los colores también deben cancelarse, y la única combinación factible es tener un quark con un color (por ejemplo, rojo), un quark con un segundo color (por ejemplo, verde), dos quarks con el tercer color (por ejemplo, azul) y un antiquark para contrarrestar el color sobrante (por ejemplo, antiazul). [11]
El mecanismo de unión de los pentaquarks no está claro todavía. Pueden estar formados por cinco quarks fuertemente unidos, pero también es posible que estén más débilmente unidos y formados por un barión de tres quarks y un mesón de dos quarks que interactúan de forma relativamente débil entre sí a través del intercambio de piones (la misma fuerza que une los núcleos atómicos ) en una "molécula mesón-barión". [3] [12] [13]
El requisito de incluir un antiquark significa que muchas clases de pentaquark son difíciles de identificar experimentalmente: si el sabor del antiquark coincide con el sabor de cualquier otro quark en el quintuplete, se cancelará y la partícula se parecerá a su primo hadrón de tres quarks. Por esta razón, las primeras búsquedas de pentaquarks buscaron partículas en las que el antiquark no se cancelara. [11] A mediados de la década de 2000, varios experimentos afirmaron revelar estados de pentaquark. En particular, una resonancia con una masa deLEPS informó en 2003 que 1540 MeV/ c 2 (4,6 σ )
O+
. [14] Esto coincidió con un estado de pentaquark con una masa de1530 MeV/ c 2 predicho en 1997. [15]
El estado propuesto estaba compuesto por dos quarks up , dos quarks down y un antiquark extraño (uudd s ). Después de este anuncio, otros nueve experimentos independientes informaron haber visto picos estrechos de
norte
K+y pagK0, con masas entre1522 MeV/ c 2 y1555 MeV/ c 2 , todos por encima de 4 σ. [14] Si bien existían preocupaciones sobre la validez de estos estados, el Grupo de Datos de Partículas dio el visto bueno.
O+
una calificación de 3 estrellas (de 4) en la Revisión de Física de Partículas de 2004. [14] Se informaron otros dos estados de pentaquark aunque con baja significación estadística: el
Φ−−
(ddss u ), con una masa de1860 MeV/ c 2 y el
O0
c(uudd c ), con una masa de3099 MeV/ c 2 . Posteriormente se descubrió que ambos eran efectos estadísticos en lugar de resonancias verdaderas. [14]
Luego se realizaron diez experimentos para buscar la
O+
, pero salieron con las manos vacías. [14] Dos en particular (uno en BELLE y el otro en CLAS ) tuvieron casi las mismas condiciones que otros experimentos que afirmaban haber detectado la
O+
(DIANA y SAPHIR respectivamente). [14] La Revista de Física de Partículas de 2006 concluyó: [14]
[N]o ha habido una confirmación estadísticamente alta de ninguno de los experimentos originales que afirmaban ver la
O+
; ha habido dos repeticiones de estadísticas altas del Laboratorio Jefferson que han demostrado claramente que las afirmaciones positivas originales en esos dos casos son erróneas; ha habido una serie de otros experimentos de estadísticas altas, ninguno de los cuales ha encontrado evidencia alguna de la
O+
; y todos los intentos de confirmar los otros dos supuestos estados de pentaquark han conducido a resultados negativos. La conclusión de que los pentaquarks en general y los
O+
, en particular, no existen, parece convincente.
La Revista de Física de Partículas de 2008 fue incluso más allá: [6]
Hay dos o tres experimentos recientes que encuentran evidencia débil de señales cercanas a las masas nominales, pero simplemente no tiene sentido tabularlas en vista de la abrumadora evidencia de que los supuestos pentaquarks no existen... La historia completa -los descubrimientos en sí, la ola de artículos de teóricos y fenomenólogos que le siguieron, y el "no descubrimiento" final- es un episodio curioso en la historia de la ciencia.
A pesar de estos resultados nulos , los resultados de LEPS continuaron mostrando la existencia de un estado estrecho con una masa de1524 ± 4 MeV/ c 2 , con una significancia estadística de 5,1 σ. [16]
Sin embargo, más tarde se reveló que este "descubrimiento" se debía a una metodología defectuosa (https://www.osti.gov/biblio/21513283-critical-view-claimed-theta-sup-pentaquark).
En julio de 2015, la colaboración LHCb en el CERN identificó pentaquarks en el Λ0b
→J/ψK−
canal p , que representa la desintegración del barión lambda inferior (Λ0b
) en un mesón J/ψ (J/ψ) , un kaon (K−
) y un protón (p). Los resultados mostraron que, a veces, en lugar de desintegrarse mediante estados lambda intermedios, el Λ0b
decae a través de estados intermedios de pentaquark. Los dos estados, llamados P+
c(4380) y P+
c(4450) , tuvieron significancias estadísticas individuales de 9 σ y 12 σ, respectivamente, y una significancia combinada de 15 σ – suficiente para afirmar un descubrimiento formal. El análisis descartó la posibilidad de que el efecto fuera causado por partículas convencionales. [3] Se observó que los dos estados de pentaquark se desintegraban fuertemente en J/ψp , por lo tanto debe tener un contenido de quarks de valencia de dos quarks up , un quark down , un quark charm y un quark anti-charm (
tú
tú
d
do
do
), lo que los convierte en charmonium -pentaquarks. [7] [10] [17]
La búsqueda de pentaquarks no era un objetivo del experimento LHCb (que está diseñado principalmente para investigar la asimetría materia-antimateria ) [18] y el aparente descubrimiento de los pentaquarks fue descrito como un "accidente" y "algo con lo que nos hemos topado" por el Coordinador de Física del experimento. [12]
La producción de pentaquarks a partir de desintegraciones electrodébiles de Λ0b
Los bariones tienen una sección transversal extremadamente pequeña y proporcionan información muy limitada sobre la estructura interna de los pentaquarks. Por este motivo, hay varias iniciativas en curso y propuestas para estudiar la producción de pentaquarks en otros canales.
Se espera que los pentaquarks se estudien en colisiones electrón-protón en los experimentos Hall B E12-12-001A [19] y Hall C E2-16-007 [20] en JLab . El principal desafío en estos estudios es una masa pesada del pentaquark, que se producirá en la cola del espectro fotón-protón en la cinemática de JLab. Por esta razón, las fracciones de ramificación actualmente desconocidas del pentaquark deberían ser lo suficientemente grandes como para permitir la detección del pentaquark en la cinemática de JLab. El colisionador de electrones e iones propuesto , que tiene energías más altas, es mucho más adecuado para este problema.
Schmidt y Siddikov (2016) sugirieron un canal interesante para estudiar los pentaquarks en colisiones protón-nucleares. [21] Este proceso tiene una gran sección transversal debido a la falta de intermediarios electrodébiles y da acceso a la función de onda del pentaquark. En los experimentos de objetivo fijo, los pentaquarks se producirán con pequeñas rapidezs en el marco de laboratorio y serán fácilmente detectados. Además, si hay pentaquarks neutros, como se sugiere en varios modelos basados en la simetría del sabor, estos también podrían producirse en este mecanismo. Este proceso podría estudiarse en futuros experimentos de alta luminosidad como After@LHC [22] y NICA. [23]
El 26 de marzo de 2019, la colaboración LHCb anunció el descubrimiento de un nuevo pentaquark, basándose en observaciones que superaron el umbral de 5 sigma, utilizando un conjunto de datos que era muchas veces más grande que el conjunto de datos de 2015. [8]
El pentaquark , denominado P c (4312) + (P c + identifica un pentaquark de charmonium, mientras que el número entre paréntesis indica una masa de aproximadamente 4312 MeV), se desintegra en un protón y un mesón J/ψ. Los análisis revelaron además que las observaciones anteriores del pentaquark P c (4450) + eran en realidad el promedio de dos resonancias diferentes, denominadas P c (4440) + y P c (4457) + . Para comprender esto se necesitarán más estudios.
El 5 de julio de 2022, la colaboración LHCb anunció el descubrimiento de otro pentaquark nuevo, [24] con una significancia de 15 sigma. Designado P ψs Λ (4338) 0 , su composición se describe como udsc c , lo que representa el primer pentaquark confirmado que contiene un quark extraño. [25]
El descubrimiento de los pentaquarks permitirá a los físicos estudiar la interacción nuclear fuerte con mayor detalle y ayudará a comprender la cromodinámica cuántica . Además, las teorías actuales sugieren que algunas estrellas muy grandes producen pentaquarks cuando colapsan. El estudio de los pentaquarks podría ayudar a arrojar luz sobre la física de las estrellas de neutrones . [10]
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