La Ciencia
Los Quarks son las partículas básicas que constituyen la materia visible en el universo. La propiedad más intrigante y desconcertante de los quarks es que nunca se encuentran aislados. En cambio, solo se pueden observar cuando están confinados dentro de partículas compuestas como protones. Los físicos nucleares utilizan aceleradores de partículas gigantes partículas para producir varios tipos de quarks y estudiar cómo evolucionan para formar partículas observables. Los grupos de tres quarks forman partículas compuestas llamadas bariones (como protones y neutrones), mientras que los pares de quarks forman mesones. Las nuevas mediciones del experimento LHCb (Large Hadron Collider beauty) muestran variaciones sorprendentes en la tasa a la que se producen los bariones, desafiando las expectativas anteriores.
El impacto
Los núcleos atómicos que forman toda la materia visible están compuestos por bariones (específicamente, protones y neutrones), que los científicos creen que se formaron en el universo temprano. Los bariones dentro de los núcleos son partículas estables que no se someten a decaimiento radiactivo. Sin embargo, todos los mesones son inestables y se descomponen rápidamente en partículas más ligeras que no pueden formar átomos. Por lo tanto, la existencia de bariones estables frente a mesones inestables es lo que hace posible la existencia de átomos y el universo tal como lo conocemos. El experimento LHCb ha demostrado que la tasa de formación de quarks en bariones versus mesones depende en gran medida de la densidad de su entorno. Este hallazgo ayuda a explicar la creación de las primeras partículas estables en el universo temprano.
Resumen
El hecho de que los quarks deban estar confinados es la característica definitoria de la interacción fuerte, como lo describe la teoría de la cromodinámica cuántica (QCD). Los cálculos que utilizan QCD pueden predecir el número total de quarks fondo pesados producidos en colisiones de partículas, pero no pueden describir la fracción que emerge como bariones en lugar de mesones. Por lo general, los investigadores ajustan los modelos para que coincidan con los datos de experimentos previos que involucran colisiones de electrones con positrones, asumiendo que la tasa de producción de bariones es universal.
Una diferencia importante en esta nueva investigación en relación con los experimentos anteriores es que las colisiones de protones y/o núcleos en el Gran Colisionador de Hadrones producen un entorno con una densidad de quarks mucho mayor. En esta investigación, los físicos nucleares del experimento LHCb encontraron que el número de bariones que contienen quarks b depende del entorno después de las colisiones y aumenta con densidades de partículas más altas. Esto muestra que la suposición de los científicos sobre la universalidad de la producción de bariones es incorrecta, y que las interacciones entre los quarks producidos durante su evolución hacia la materia visible influyen en la cantidad de bariones que emergen. Estos nuevos resultados demuestran que se requieren mecanismos teóricos adicionales para producir bariones en sistemas de colisión densos, lo que puede haber sido especialmente importante cuando se formaron los primeros protones en el universo temprano.
Financiamiento
Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía, programa de Física Nuclear.
