El descubrimiento de hadrones exóticos estimula el desarrollo teórico

Objetos formados por cuatro quarks exhiben configuraciones distintas a las de los protones, neutrones y mesones, pero su posibilidad ya había sido prevista por la cromodinámica cuántica

Por José Tadeu Arantes

Agência FAPESP – El modelo de los quarks, postulado independientemente por los físicos estadounidenses Murray Gell-Mann y George Zweig en 1964, cumplió medio siglo el año pasado. Sin embargo, y más allá de su longevidad, ahora se ha avanzado en nuevos desarrollos de ese modelo, tanto en el terreno experimental como en el aspecto teórico.

Una de esas novedades es el descubrimiento de un objeto constituido por cuatro quarks, denominado Z+ (4430). Encontrado por primera vez en 2008, en el Instituto KEK (High Energy Accelerator Research Organization), en Japón, su existencia se confirmó de manera convincente en 2014 en el LHC (Large Hadron Collider), el Gran Colisionador de Hadrones ubicado en la frontera franco-suiza.

El número 4430 se refiere a la masa del objeto, en unidades de megaelectronvoltios sobre la velocidad de la luz al cuadrado (MeV/c²). Comparativamente, la masa del protón es de aproximadamente 938,3 MeV/c². Y al contrario que el protón, cuya vida media es superior a 2,1×10²⁹ años (casi 20 veces la edad estimada del Universo), el Z+ (4430) sobrevive tan sólo durante una diminuta fracción de segundo.

El gran interés que suscita deriva de que no existe otra explicación para el mismo que no sea la de una composición exótica de cuatro quarks.

Las composiciones usuales son de tres quarks y forman los bariones (la categoría a la cual pertenecen los protones y los neutrones), o de un par entre quark y anti quark, que forma los mesones (tales como el pión, el mesón pi, previsto teóricamente por el japonés Hideki Yukawa en 1935, y descubierto experimentalmente por el brasileño César Lattes en 1947).

Pero composiciones exóticas, que antes eran tan sólo una posibilidad teórica, empezaron a surgir en los aceleradores de partículas en el transcurso de la última década.

“El Z+ (4430) puede ser tanto una molécula compuesta por dos mesones (cada uno constituido por un par de quark y anti quark) como un tetra quark propiamente dicho (constituido por cuatro quarks sueltos, confinados en un determinado volumen debido a la interacción fuerte)”, declaró Marina Nielsen, profesora titular y jefa del Departamento de Física Experimental del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP), en Brasil, a Agência FAPESP.

Nielsen coordina el Proyecto Temático intitulado “Física de Hadrones”, que cuenta con el apoyo de la FAPESP. “El estudio de esos hadrones exóticos constituye una de las líneas de investigación de nuestro proyecto, que es a la que yo me dedico particularmente”, dijo.

La estructura de otros hadrones exóticos que habían sido descubiertos anteriormente aún se encuentra sujeta a controversias. Ése es el caso del X (3872), hallado en 2003 en el Instituto KEK, que también parece estar compuesto por cuatro quarks, organizados en forma de molécula de mesones o de tetra quark.

Con todo, como es neutro eléctricamente, no puede afirmarse eso taxativamente. Y algunos científicos sostienen que se trata únicamente de un charmonium, un mesón compuesto por dos quarks bastante masivos, el charm, o quark encantado, y el anti charm.

“Pero el caso del Z+ (4430) no deja lugar a dudas: tiene carga eléctrica. Para ello, sumados al charm y al anti charm, debe contener también un up y un anti down”, explicó Nielsen.

El artículo de referencia

La interpretación de la naturaleza del X (3872) y de otros hadrones exóticos hallados posteriormente constituye un desafío para los físicos que estudian la cromodinámica cuántica (QCD, de Quantum chromodynamics), la teoría de los quarks y sus interacciones.

Nielsen y su colega Fernando Silveira Navarra, también profesor titular del IF-USP, integran una red internacional dedicada al tema llamada Quarkonium Working Group (QWG), un grupo de trabajo que congrega a unos 70 científicos de las principales universidades del mundo.

En 2011, ese grupo internacional redactó un artículo que salió publicado en European Physical Journal y se convirtió en referencia del área, con más de 700 citas en artículos especializados: Heavy quarkonium: progress, puzzles, and opportunities.

Los científicos de la USP tuvieron una significativa participación en ese trabajo. “Uno de los métodos empleados para hacer cálculos en el área lo constituyen las llamadas ‘reglas de suma de la cromodinámica cuántica’ (QCDSR, de Quantum Chromodynamics Sum Rules), con las cuales trabajamos desde hace varios años. Con la ayuda de este método pudimos avanzar en la comprensión de los estados exóticos”, dijo Silveira Navarra.

“A algunos de éstos puede entendérselos mejor como tetra quarks; a otros como mesones de quarks masivos, a ejemplo del charmonium; y a otros también como una mezcla cuántica de del charmonium con tetra quarks”, detalló el investigador.

La expresión “mezcla cuántica” significa que la función de onda asociada al objeto en cuestión posee dos componentes, una que describe al charmonium y otra que describe al tetra quark. Y que, en una gran cantidad de observaciones, el objeto será observado ora como una cosa, ora como otra, de acuerdo con una determinada distribución probabilística.

“La proliferación de nuevos estados creó una situación de algún modo parecida a la que existía antes de que Gell-Mann y Zweig propusieran el modelo de quarks: varias partículas aparentemente sin conexión unas con otras desafiaban a los científicos a agruparlas de acuerdo con algún criterio. Con relación a esto, también hicimos nuestro aporte al mostrar que ciertos estados pueden interpretarse correctamente como excitaciones de otros”, dijo Silveira Navarra.

El escenario, que ahora se considera sencillo, constituido por bariones (tres quarks) y mesones (quark y anti quark), a los cuales los físicos ya estaban habituados, correspondía a los niveles de energía del mundo cotidiano o a aquéllos alcanzados hasta hace poco en los laboratorios. Sin embargo, a medida que se construyen nuevos aparatos capaces de alcanzar estados de energía cada vez más altos, los objetos exóticos tienden a multiplicarse, con lo cual demandan nuevos esfuerzos de interpretación teórica.

“Estos nuevos descubrimientos de algún modo le otorgan un nuevo aval a la cromodinámica cuántica. Sucede que esta teoría establece las configuraciones de quarks que pueden existir y aquéllas que no pueden. Las más sencillas son la tríada de quarks y o pares de quark y anti quark”, dijo Nielsen.

“Pero son posibles también otras configuraciones más complejas. Y existe también un dicho famoso en mecánica cuántica: todo lo que no está prohibido debe realizarse. Lo que estamos logrando ahora, gracias a los nuevos niveles de energía alcanzados en aceleradores como el LHC, es observar otros estados posibles”, dijo.