Qué pasó con… los pentaquarks

Los pentaquarks son partículas predichas por la leyes físicas de los quarks. En 2003 se publicó el descubrimiento del primer pentaquark Θ(1540); luego fueron otros como Φ(1860) y Θc(3100). Una verdad científica ha de ser verificada de forma independiente y la mayoría de los intentos de confirmar la existencia de estos pentaquarks fallaron. Hay experimentos que han observado 100 000 bariones Λ(1520) sin observar ni un solo pentaquark Θ(1540). En 2008 el Particle Data Group (PDG) excluyó a los pentaquarks de su listado de partículas. ¿Qué ley física prohíbe la existencia de los pentaquarks? Nadie lo sabe, pero todo apunta a que los pentaquarks y otros hadrones exóticos no existen (deberían haber sido descubiertos ya). El descubrimiento del primer pentaquark Θ(1540) apareció en Nakano et al., “Evidence for a Narrow S=+1 Baryon Resonance in Photoproduction from the Neutron,” Physical Review Letters 91: 012002, 2003Fue una de las noticias más importantes en el año 2003 en física de partículas, como nos contó Frank Close, “Particle physics: Strange days,” News and Views, Nature 424: 376-377, 24 July 2003; en español podéis leer a Norberto N. Scoccola, “El exótico pentaquark. ¿Una nueva clase de partícula subatómica?,” Ciencia Hoy 13: 64-66, 2003. La retirada del pentaquark del PDG nos la contó C.G. Wohl (LBNL), “Pentaquarks,” publicado en K. Nakamura et al. (Particle Data Group) J. Phys. G 37: 07021, 2010. El ascenso y la caída de los pentaquarks lo cuenta muy bien Kandice Carter (Jefferson Lab), “The rise and fall of the pentaquark,” Symmetry 3: 16-19, 2006 (html). La explicación más razonable al pico observado en 1540 MeV es la ofrecida por E. Oset y A. Martínez Torres de la Universidad de Valencia, España [ver aquí, también aquí e incluso aquí]; resumiendo mucho, se trata de un “defecto” en la manera de analizar los datos experimentales que produce un pico (una resonancia) donde no tendría que haberlo.

La teoría de la interacción fuerte, llamada cromodinámica cuántica (QCD), predice la existencia de estados exóticos de quarks y gluones que no han sido observados en la Naturaleza. En concreto, los hadrones exóticos o multiquarks, las glubolas y los hadrones híbridos. Los tetraquarks son estados ligados formados por cuatro quarks (dos quarks y dos antiquarks, qqqq, o dos mesones ligados), y los pentaquarks son estados ligados formados por cinco quarks (qqqqq, qqqqq, o un barión ligado a un mesón). Las glubolas son partículas formadas únicamente por gluones, porque éstos pueden interaccionar entre sí. Y los hadrones híbridos son hadrones compuestos de forma simultánea por quarks y gluones (en los hadrones hay gluones virtuales, pero estos gluones de los hadrones híbridos no son virtuales). En general, las predicciones de la QCD a muy altas energías presentan un acuerdo excelente con los datos experimentales, pero a bajas energías no es posible realizar cálculos teóricos precisos con los que comparar los resultados de los experimentos. Para algunos físicos esto no es ningún problema y aceptan la QCD sin cuestionarla; sin embargo, otros físicos consideran que la QCD no estará confirmada hasta que estas dificultades sean resueltas. Un buen resumen sobre la física de los hadrones es el artículo de José Díaz y Juan Nieves, “Física Hadrónica: descifrando la interacción fuerte,” Revista Española de Física, Enero-Marzo 2008.

Ninguno de estos objetos exóticos ha sido identificado claramente en los experimentos realizados hasta ahora, aunque se han observado hadrones que se consideran posibles candidatos a hadrones exóticos, como las partículas f0(980) y f1(1320) que son candidatas a hadrones con 4 quarks (tetraquarks), f0(1370), f0(1500), f0(1710), η(1410) y η(1460) que son candidatos a glubolas y π1(1400), π1(1600), π(1800), π2(1900), que son candidatas a hadrones híbridos. El problema de todas estas partículas exóticas es que se observarían como resonancias muy estrechas y su medida requiere una resolución muy superior a su anchura, más allá de la alcanzable con los colisionadores de partículas convencionales. Hay que utilizar colisionadores con haces de partículas de muy alta resolución energética, que requieren el uso de técnicas de enfriamiento de haces con objeto de que todas las partículas del haz tengan la misma energía cinética con errores relativos de unas pocas partes por millón. Además, la vida media de estas partículas es muy corta, por lo que solo se pueden detectar los productos de su desintegración que también deben ser medidos con una resolución energética alta, por encima de la habitual en los detectores de los colisionadores convencionales.

El pentaquark Θ(1540) fue predicho por físicos teóricos rusos en 1997 (Dmitri Diakonov, Victor Petrov and Maxim Polyakov, “Exotic anti-decuplet of baryons: prediction from chiral solitons,” Zeitschrift für Physik A Hadrons and Nuclei, 359: 305-314, 1997). En el año 2003, físicos japoneses del laboratorio SPring-8 anunciaron el (posible) descubrimiento de este pentaquark en experimentos en los que rayos gamma de alta energía incidían sobre átomos de carbono-12. Este mismo año también observaron pentaquarks otros experimentos de todo el mundo (estadounidenses del Jefferson Lab, rusos del ITEP y alemanes de ELSA). Parecía que todo confirmaba la existencia de los pentaquarks. Pero pronto empezaron a surgir dudas, algunas incluso desde dentro de los propios experimentos (algunos “disidentes” refinaron los análisis estadísticos de los datos que apuntaban a los pentaquarks y observaron que su existencia se desvanecía como humo en el aire). Se realizaron búsquedas específicas centradas en encontrar los pentaquarks y no fueron encontrados. La evidencia en contra de los pentaquarks empezó a ser mucho más abundante que la evidencia a su favor.

Los físicos decidieron dedicar experimentos específicos a medir con precisión las propiedades de los pentaquarks. Los resultados fueron decepcionantes; por ejemplo, en abril de 2005, un grupo italiano de física nuclear del INFN repitió el experimento de 2003 pero acumulando 100 veces más datos y obtuvo resultados negativos. Alrededor del año 2007 se puede afirmar que el consenso de la mayoría de los físicos de partículas era que los pentaquarks no existían. ¿Por qué hay predicciones de la QCD que la Naturaleza decide no utilizar? Nadie lo sabe, pero todo el mundo confía en que algún haya una teoría unificada de la física de partículas que explique por qué la QCD es como es y que explique las razones por las cuales los pentaquarks (y otros hadrones exóticos) no existen (o no se pueden observar con los experimentos actuales).

Todo esto me lo ha recordado la noticia de más actualidad de la semana pasada, la noticia de los neutrinos superlumínicos (que como ya dije no pueden ser taquiones). Dentro de unos años sabremos si dicha noticia se confirma o se desmiente (aunque yo apunto a esto último). Los miembros de OPERA son los primeros interesados en ello, pues quién va a confiar en sus resultados sobre neutrinos tau cuando hay serias dudas sobre su manera de contar neutrinos muónicos. El futuro de OPERA es ser un experimento estrella en el estudio de la oscilación de neutrinos muónicos en neutrinos tau. Pronto, quizás dentro de dos o tres años, nadie se acordará de que una vez los científicos de OPERA lograron que los neutrinos se convirtieran en una noticia más importante que las noticias sobre el protón.

Un recordatorio para quien esté perdido y/o no se entere de nada

Las partículas que se encuentran en el núcleo de los átomos, los protones y los neutrones, son hadrones, partículas formadas por quarks. Se conocen 36 quarks diferentes (agrupados en tres familias, con dos “sabores” por familia, tres “colores” por cada quark y acompañados de sus antipartículas, los antiquarks). Los experimentos indican que los quarks libres no pueden ser observados, por lo que se forman estados compuestos de dos o tres quarks; los bariones son hadrones formados por tres quarks de tres colores diferentes; los mesones son hadrones formados por dos quarks (un quark y un antiquark); los dos quarks de la primera familia son el quark u (arriba) y el d (abajo), los de la segunda son el s (extraño) y el c (encanto), y los de la última familia son el b (belleza) y el t (top). La teoría de los quarks llamada Cromodinámica Cuántica (QCD) describe las interacciones entre quarks mediante el intercambio de bosones denominados gluones. Los gluones aparecen en ocho estados de color diferentes y tampoco pueden observarse como partículas libres.

Existen sólidas evidencias experimentales sobre la existencia de los quarks y de los gluones, denominados de forma común como partones. En las colisiones de alta energía que producen quarks libres de tercera o segunda generación, éstos se hadronizan de forma casi instantánea, formando mesones y bariones, que decaen de forma sucesiva en chorros (jets) de otros mesones y bariones de menor masa, hasta que al final solo quedan quarks de la primera generación. En las colisiones electrón-positrón a alta energía se ha demostrado que el número relativo de sucesos e+e → 2 jets, y e+e →  3 jets coincide con la proporción predicha por la QCD para los procesos e+e → qq, y e+e → qqg, donde q representa un quark, q su correspondiente antiquark y g un gluón.

QCD presenta una escala fundamental, ΛQCD ≈ 250 MeV = 0,25 GeV (como un cuarto de la masa de un protón), que separa su régimen perturbativo (procesos de producción de jets a altas energías) y no perturbativo (procesos hadrónicos). Relacionadas con esta escala aparecen dos propiedades fundamentales de la QCD: el confinamiento y la libertad asintótica. La primera de estas propiedades, de naturaleza no perturbativa (asociada a energías inferiores a ΛQCD), explicaría porque los quarks no han sido observados nunca como partículas libres, solo se observarían en la Naturaleza agrupaciones de quark y gluones cuya carga neta de color sea nula (los hadrones); agrupaciones con tres colores básicos (rojo-verde-azul) o tres anticolores básicos (celeste-rosado-amarillo), llamadas bariones, o agrupaciones con un color y un anticolor (como rojo-antirrojo o rojo-celeste). La propiedad de confinamiento nunca se ha probado de forma rigurosa a partir de QCD, pero existen resultados obtenidos a partir de simulaciones por odenador de la QCD en redes (lattice QCD), en la que se discretiza el espacio-tiempo, que apuntan claramente en esta dirección. Por otra parte, en los años 1970 varios investigadores, como ´t Hooft, Politzer, Gross y Wilczek, demostraron que la intensidad de la interacción entre quarks y gluones decrece a cortas distancias (menores de 1 fm), o energías superiores a ΛQCD. Gracias a esta propiedad, llamada libertad asintótica, se pueden realizar cálculos en QCD usando técnicas perturbativas y se pueden predecir las propiedades de los quarks de segunda y, sobre todo, tercera generación.