El Pentaquark: ¡una nueva pieza del rompecabezas cósmico!

Descripción de la imagen: Visualización artística de las interacciones entre partículas inestables. Fuente de la imagen: Astronoo IA.

La física de partículas

Cada partícula contiene una energía colosal, gobernada por mecanismos sutiles y complejos, estudiados en el marco de la fascinante física de partículas.

Los quarks y los leptones son las partículas elementales que constituyen toda la materia ordinaria que conocemos, mientras que los bosones son los mediadores de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Estos constituyentes cuánticos son descritos por el modelo estándar de las partículas elementales consolidado por confirmaciones experimentales como el descubrimiento del quark top (1995), el neutrino tau (2000) y el bosón de Higgs (2012).

Los protones y los neutrones son partículas compuestas, no elementales, constituidas por un ensamblaje complejo de quarks unidos por gluones. Estos gluones, vectores de la interacción nuclear fuerte, transmiten una propiedad llamada carga de color, de ahí el nombre informal de fuerza de color.

¿Cuál es el lugar del pentaquark en la física de partículas?

El pentaquark es una partícula compuesta, pero su estructura es mucho más compleja que la de un protón. Los pentaquarks son partículas subatómicas exóticas constituidas por cinco quarks. Según el modelo estándar de la física de partículas, los quarks son los bloques fundamentales de la materia, combinados habitualmente en grupos de dos o tres para formar mesones (piones o kaones) y bariones (protones o neutrones).

Un pentaquark está constituido por cuatro quarks ($q$) y un antiquark ($\bar{q}$), lo que se puede escribir simbólicamente como $(qqqq\bar{q})$. Esta estructura permite una gran diversidad de combinaciones posibles, haciendo que su estudio sea particularmente complejo. De hecho, un pentaquark puede estar compuesto por diferentes combinaciones de quarks (arriba, abajo, extraño, encanto, fondo, top) y antiquarks. Cada combinación dará lugar a un pentaquark con una masa diferente. Estos estados se forman por interacciones fuertes, descritas por la teoría de la cromodinámica cuántica (QCD).

El protón, compuesto por dos quarks arriba ($u$) y un quark abajo ($d$), es estable (10³⁰ años), es uno de los elementos básicos de la materia ordinaria. Al igual que el protón, los quarks en un pentaquark se mantienen juntos por gluones a través de la interacción fuerte, pero la dinámica es más compleja debido a la adición del antiquark. A diferencia del protón, los pentaquarks son extremadamente inestables y se desintegran rápidamente en otras partículas, como mesones (piones o kaones) inestables o bariones (protones o neutrones) más estables. Su tiempo de vida es comparable al de las partículas fuertemente interactivas producidas por la interacción fuerte, es decir, de 10^-23 a 10^-20 segundos.

La dinámica de los quarks: del confinamiento a la libertad asintótica

Es imposible aislar un solo quark porque la interacción fuerte, que los une, se vuelve más intensa a medida que los quarks se alejan entre sí. Este fenómeno, conocido como "confinamiento de quarks", implica que la fuerza actúa como un enlace elástico que mantiene a los quarks unidos. En cambio, cuando los quarks están muy cerca unos de otros, la interacción fuerte se debilita, dando lugar a una propiedad llamada "libertad asintótica". La libertad asintótica describe el hecho de que, a distancias muy cortas o energías muy altas, los quarks interactúan débilmente y se comportan casi como partículas libres, una propiedad única de la interacción fuerte. Esta característica surge de la carga de color, específica de las partículas sometidas a la interacción fuerte.

Descubrimiento del pentaquark e implicaciones

Los pentaquarks se detectan indirectamente en experimentos de física de altas energías (como en el LHCb en el CERN) gracias a los productos de su desintegración. Las huellas de su rápida desintegración permiten estimar su tiempo de vida.

Los pentaquarks fueron detectados experimentalmente en 2015. Este descubrimiento permitió confirmar la existencia de formas exóticas de materia previstas teóricamente desde la década de 1960. Estas partículas ofrecen una ventana única para estudiar la fuerza fundamental que une los quarks entre sí.

Describir un pentaquark (cuatro quarks y un antiquark) como un ensamblaje sutil de un barión (tres quarks) y un mesón (un quark y un antiquark) es una descripción parcial y plausible, pero corresponde a una hipótesis específica (estado molecular). También se contemplan otras configuraciones, como el estado compacto. Las investigaciones en curso tienen como objetivo determinar con precisión la naturaleza de estos hadrones exóticos.