El estado actual de la resonancia Y(4140) en el espectro J/ψφ

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Los hadrones exóticos son partículas compuestas de más de tres quarks, como los tetraquarks, estados ligados de dos mesones, o los pentaquarks, estados ligados de un mesón y un barión (“Qué pasó con… los pentaquarks,” 8 oct 2011). Para nombrar los hadrones exóticos se suelen usar las letras X, Y, y Z. El experimento CDF del Tevatrón, Fermilab, EEUU, observó en marzo de 2009 y confirmó en enero de 2011 a 5,0 sigmas una nueva resonancia en las desintegraciones B+ → J/ψ φ K+, llamada Y(4140), con desintegración Y(4140) → J/ψ φ. Se observaron solo 19 ± 6 (stat) ± 3 (syst) eventos de es tipo en 6,0 /fb (inversos de femtobarn) de colisiones protón-antiprotón a 1,96 TeV c.m.; la masa de la resonancia es m = 4143,4 ± 3,0 (stat) ± 0,6 (syst) MeV/c², aunque recibe el nombre Y(4140), y su anchura Γ = 15,3 ± 10,4 (stat) ± 2,5 (syst) MeV/c² (CDF Public Note; arXiv:1101.6058). Más aún, CDF también observó una segunda resonancia Y(4274) aunque solo con 3,1 sigmas, con masa m  = 4274,4 ± 8,4 (stat) MeV/c², y Γ = 32,3 ± 21,9 (stat) MeV/c². Por cierto, a veces se escribe X(4140) en lugar de Y(4140), pues su naturaleza exacta no es conocida.

Dibujo20121204 observation y 4140 cdf public note

La resonancia Y(4140) fue buscada sin éxito por Belle (C. P. Shen et al. (The Belle Collaboration), “Evidence for a New Resonance and Search for the Y(4140) in the γγ→ϕJ/ψ Process,” Phys. Rev. Lett. 104: 112004, 2010arXiv:0912.2383). Sin embargo, Belle observó con 3,5 sigmas una “nueva” resonancia Y(4350), con masa m = 4350,6 ± 5,1 (stat) ± 0,7 (syst) MeV/c², y anchura Γ = 13 ± 18 (stat) ± 4 (syst) MeV/c². La ausencia de Y(4140) se observó con 2,7 sigmas.

Dibujo20121203 belle 4140

También buscó sin éxito la resonancia Y(4140) el experimento LHCb del LHC (LHCb Collaboration, “Search for the X(4140) state in B+ to J/psi phi K+ decays,” Phys. Rev. D 85: 091103(R), 2012arXiv:1202.5087). Solo se utilizando 0,37 /fb de colisiones protón-protón a 7 TeV c.m. de 2011, obteniendo 2,4 sigmas de certeza en la hipótesis de que la resonancia Y(4140) no existe. Obviamente, habrá que esperar a nuevos análisis con las colisiones de 2012, que se publicarán en el verano/otoño de 2013.

Dibujo20121203 lhcb 4140

Ha sido noticia en noviembre de 2012 que CMS del LHC ha observado a más de 5 sigmas dos resonancias: una compatible con Y(4140), con una masa m = 4148,2 ± 2,0 ± 5,2 MeV/c², y otra con una masa m = 4316,7 ± 3,0 ± 10,0 MeV/c². Se han utilizado 5,2 /fb de colisiones protón-protón a 7 TeV c.m. obtenidas en el año 2011 (CMS, “Observation of structures in J/psi phi spectrum in exclusive B+ –> J/psi phi K+ decays at 7 TeV,” BPH-11-026, 16 Nov. 2012).

Dibujo20121203 cms preliminary y 4140 resonance observation

CDF y CMS han observado la resonancia Y(4140) a más de 5 sigmas, sin embargo, Belle y LHCb la han buscado y no la han encontrado. Además, CDF y CMS han observado otra resonancia cercana, pero cada uno a diferente energía. ¿Qué significa todo este puzzle? Por ahora, no se sabe. Habrá que esperar al verano/otoño de 2013, cuando se publique el análisis de CMS de estas resonancias utilizando todos los datos de colisiones de 2012 y los nuevos resultados de LHCb, e incluso de ATLAS. No en balde, el artículo de CMS bautiza a Y(4140) como “estructura” con objeto de no caer en la trampa de afirmar que se trata de un hadrón exótico. Son análisis muy complicados y los hadrones exóticos han ofrecido muchas falsas alarmas en la última década.

¿Qué puede ser la resonancia Y(4140)? Hay varias opciones, pero una bastante razonable es que sea un tetraquark, un estado ligado de cuatro quarks ccss, es decir, charm, anticharm, strange, y antistrange (Fl Stancu, “Can Y(4140) be a tetraquark?,” Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics 37 : 075017, 2010). Hay otras posibilidades, pero no sé si merece la pena discutir este asunto en más detalle. Por ahora, lo único que podemos decir es que habrá que esperar al verano de 2013 para tener más información sobre la resonancia Y(4140) que aparece y desaparece como los ojos el Guadiana.

PS: Tomasz Skwarnicki (LHCb collaboration), “Exotic Meson Studies at LHCb,” Slides, June 1, 2012.