"¡Tres quarks para Muster Mark!", Escribió James Joyce en su fábula laberíntica,La estela de Finnegan. A estas alturas, es posible que haya escuchado esta cita: la frase corta y sin sentido que finalmente dio el nombre de "quark" a los bloques de construcción más fundamentales (aún no superados) del Universo. Los físicos de hoy creen que entienden los conceptos básicos de cómo se combinan los quarks; tres se unen para formar bariones (partículas cotidianas como el protón y el neutrón), mientras que dos, un quark y un antiquark, se unen para formar variedades más exóticas y menos estables llamadas mesones. Las asociaciones raras de cuatro quark se llaman tetraquarks. ¿Y cinco quarks atados en un delicado baile? Naturalmente, eso sería un pentaquark. ¡Y el pentaquark, hasta hace poco un mero producto de la física, ahora se ha detectado en el LHC!
¿Así que cuál es el problema? Lejos de ser una palabra divertida para decir cinco veces más rápido, el pentaquark puede desbloquear nueva información vital sobre la fuerza nuclear fuerte. Estas revelaciones finalmente podrían cambiar la forma en que pensamos acerca de nuestro amigo extraordinariamente denso, la estrella de neutrones, y, de hecho, la naturaleza de la propia materia familiar.
Los físicos conocen seis tipos de quarks, que están ordenados por peso. Los más ligeros de los seis son los quarks arriba y abajo, que constituyen los bariones cotidianos más familiares (dos arriba y abajo en el protón, y dos abajo y arriba en el neutrón). Los siguientes más pesados son los quarks encantadores y extraños, seguidos de los quarks superior e inferior. ¿Y por qué parar allí? Además, cada uno de los seis quarks tiene su correspondiente antipartícula o antiquark.
Un atributo importante de ambos quarks y sus contrapartes antipartículas es algo llamado "color". Por supuesto, los quarks no tienen color de la misma manera que podríamos llamar a una manzana "roja" o al océano "azul"; más bien, esta propiedad es una forma metafórica de comunicar una de las leyes esenciales de la física subatómica: que las partículas que contienen quark (llamadas hadrones) siempre tienen una carga de color neutral.
Por ejemplo, los tres componentes de un protón deben incluir un quark rojo, un quark verde y un quark azul. Estos tres "colores" se suman a una partícula neutra de la misma manera que la luz roja, verde y azul se combinan para crear un brillo blanco. Existen leyes similares para el quark y el antiquark que forman un mesón: sus respectivos colores deben ser exactamente opuestos. Un quark rojo solo se combinará con un antiquark anti-rojo (o cian), y así sucesivamente.
El pentaquark también debe tener una carga de color neutral. Imagine un protón y un mesón (específicamente, un tipo llamado mesón J / psi) unidos: un quark rojo, azul y verde en una esquina, y un par quark-antiquark de color neutro en la otra, para un Gran total de cuatro quarks y un antiquark, todos los colores que se cancelan entre sí.
Los físicos no están seguros de si el pentaquark es creado por este tipo de disposición segregada o si los cinco quarks están unidos directamente; De cualquier manera, como todos los hadrones, el pentaquark es controlado por ese titán de dinámica fundamental, la fuerza nuclear fuerte.
La fuerza nuclear fuerte, como su nombre lo indica, es la fuerza indescriptiblemente robusta que une los componentes de cada núcleo atómico: protones y neutrones y, lo que es más importante, sus propios quarks constituyentes. La fuerza fuerte es tan tenaz que nunca se han observado "quarks libres"; todos están demasiado confinados dentro de sus bariones padres.
Pero hay un lugar en el Universo donde los quarks pueden existir en sí mismos, en una especie de estado metanuclear: en un tipo de estrella de neutrones extraordinariamente denso. En una estrella de neutrones típica, la presión gravitacional es tan tremenda que los protones y los electrones dejan de existir. Sus energías y cargas se derriten juntas, dejando nada más que una masa ajustada de neutrones.
Los físicos han conjeturado que, a densidades extremas, en las estrellas más compactas, los neutrones adyacentes dentro del núcleo pueden incluso desintegrarse en una mezcla de partes constituyentes.
La estrella de neutrones ... se convertiría en una estrella de quark.
Los científicos creen que comprender la física del pentaquark puede arrojar luz sobre la forma en que la fuerza nuclear fuerte opera en condiciones tan extremas, no solo en estrellas de neutrones tan densas, sino incluso en las primeras fracciones de segundo después del Big Bang. Un análisis posterior también debería ayudar a los físicos a refinar su comprensión de las formas en que los quarks pueden y no pueden combinarse.
Los datos que dieron lugar a este descubrimiento, ¡un sorprendente resultado de 9 sigma! - salió de la primera carrera del LHC (2010-2013). Con el supercollider ahora operando al doble de su capacidad de energía original, los físicos no deberían tener problemas para desentrañar aún más los misterios del pentaquark.
Aquí se puede encontrar una preimpresión del descubrimiento del pentaquark, que se envió a la revista Physical Review Letters.
