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Confirman Z(4430)

Área: Física — Domingo, 13 de Abril de 2014

La confirmación del tetraquark Z(4430) podría tener implicaciones en Astrofísica.

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Recientemente se ha conseguido confirmar en el CERN una extraña “partícula”, un tetraquark al que se denomina Z(4430) . La “partícula” es cuatro veces más pesada que un protón y está formada por un quark encantado, un antiquark encantado, un anti-top y un down. Z(4430) es en realidad una resonancia, una entidad de vida tan corta que ni siquiera se le puede llamar partícula. Esta resonancia fue descubierta por primera vez por Belle, después por BaBar y ahora por LHCb. Se confirma casi con 14 sigmas de significación estadística (5 sigmas son suficientes para proclamar un descubrimiento en física de partículas).
Recordemos cómo está estructurada la materia según el modelo estándar. Hay quarks y leptones agrupados en tres familias. Dentro de cada familia los quarks son muchos más pesados que sus leptones asociados.
Los quarks tienen además de carga eléctrica una carga distinta que se ha llamado carga de color y que puede ser roja, verde o azul (es una analogía, obviamente no tienen color real), con sus correspondientes anticolores. Combinando quarks se consiguen partículas con carga de color neutra. Los leptones son partículas de spin semientero, en concreto son el electrón, el muón y el tau con sus correspondientes neutrinos asociados.
Además de todo ello, hay partículas de spin entero (bosones) que son los portadores de las fuerzas. Los quarks y leptones interaccionan intercambiando bosones virtuales de fuerza, partículas que no tienen consistencia real. Un electrón se ve atraído por otro porque se intercambian fotones virtuales (los bosones de la fuerza electromagnética).

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Esquema del modelo estándar. Foto: Fermilab.

Para crear un protón se necesitan tres quaks, dos quark up y uno down que se mantienen unidos gracias a que intercambian unos bosones virtuales denominados gluones que son los portadores de la fuerza nuclear fuerte.
Los conjuntos de quarks, como el protón, se denominan hadrones. Los hadrones de dos quarks son los mesones (color y anticolor) y los de tres (tres colores que dan neutro) se llaman bariones. Así que Z(4430) es un hadrón.
La cromodinámica cuántica predice la existencia de hadrones exóticos, además de los bariones y mesones conocidos, esta teoría de campos predice la existencia de tetraquarks (dos colores y sus correspondientes anticolores), pentaquarks (tres colores y un color y anticolor), hexaquarks (los tres colores y sus anticolores), además partículas mezcla en las que además de quarks hay gluones reales (no virtuales). Incluso glubolas hechas con gluones reales.
Aunque hace más de 10 años se dijo que se habían descubierto pentaquarks, el descubrimiento no fue posteriormente corroborado, así que ha sido eliminado de la lista de descubrimientos. Como las masas de algunas de estas partículas son accesibles con los aceleradores actuales se ha llegado a pensar que los hadrones exóticos simplemente no existían. O bien tienen vidas tan cortas que no consiguen detectarlos o bien los cálculos, dificilísimos en cromodinámica cuántica y llenos de aproximaciones, predicen cosas que no se dan en el mundo real.

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El descubrimiento de Z(4430) aumenta las esperanzas de que se descubran otros hadrones exóticos, pero además tiene implicaciones en Astrofísica debido a que afecta a la comprensión de las estrellas de neutrones, objetos ultracompactos de densidad nuclear que surgen después de la explosión de las supernovas de tipo II.
Una estrella de neutrones tiene el tamaño de una ciudad pero tiene la masa de una estrella y una campo magnético muy intenso. Si la orientación es la adecuada, una estrellas de neutrones se nos puede mostrar como un pulsar.
El modelo más simple de estrella neutrones está formado por neutrones (tres quarks, dos down y uno up) que podrían interaccionar entre sí. Pero si se introduce la idea de tetraquark es posible que en el centro de la estrella de neutrones, en donde más pueden interactuar los neutrones, se formen tetraquarks. Si además existen los pentaquarks y hexaquarks también se formarían en el núcleo de la estrella. Al final se tendría algo similar a una estrella de quarks (quark star).
En el pasado se ha llegado a sugerir la existencia de estrella de neutrones en las que los quarks que constituyen los neutrones se desligan y forman una sopa de quarks. Incluso se ha llegado a sugerir estrellas principalmente hechas de quarks extraños (es un tipo de quark), pero no se han encontrado pruebas de su existencia. Estos objetos podrían ser incluso primordiales y haberse formado al poco de darse el Big Bang.
Pero aunque este tipo de objetos es hipotético, la confirmación del tetraquark obliga a que se replanteen los modelos de estrellas de neutrones y a que se revisen las observaciones en busca de estrellas de quarks (totales o parciales) en el espacio.

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Fuentes y referencias:
Artículo original.
Dibujo de cabecera: fuente desconocida.
Segundo dibujo: CXC/M Weiss

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4 Comentarios

  1. Teaius:

    ¿Qué parámetro distinguiría una observación de una estrella de neutrones de una “quark star”?

  2. NeoFronteras:

    Pues no es nada sencillo, sobre todo porque los modelos son muy especulativos. Se ha propuesto que a través de la emisión de neutrinos y de rayos X se podría determinar. Así por ejemplo, cuando exploto SN 1987A se registraron dos flujos de neutrinos. Se ha propuesto que el primero se debió a la formación de la estrella de neutrones y el segundo a la estrella de quarks.
    Se supone que una estrella de quarks es un poco más densa y más pequeña que una estrella de neutrones, pero establecer estos límites a grandes distancias es muy complicado.
    Al final es todo cuestión de cómo se interpreten los datos.

  3. lluís:

    Si realmente esas “resonancias” fueran partículas y resultara también que existen esos “hadrones exóticos”, ¿ que pasaría con el modelo estándar? porque estos “bichos” no están ahí.Estaríamos ante nuevas formas de materia, supongo. ¿Podría ser esto una nueva vía para acercarse a la supersimetría?. ¿Y que pasaría con la pequeña masa que se les supone a los quarks (antiquarks). En cuanto a las fuerzas que mantienen unidos los quarks,dentro de la “cárcel protónica” para cuya explicación se acude al modelo del oscilador armónico, F= -k (r-ro), con esas extrañas combinaciones exóticas de hadrones, ¿no se vería también afectadas?
    Y de existir “quark stars”, supongo que eso podría representar la existencia de quarks libres, ¿adios a la “libertad asintótica”?.
    No sé, pero lo encuentro un tanto extraño.

  4. NeoFronteras:

    Estimado Lluís:
    Este tipo de hadrones exóticos son compatibles con el modelo estándar. En cuanto a la quark star también es posible. No se puede conseguir un núcleo atómico de 10 km y menos si está hecho sólo de neutrones, pero existen las estrellas de neutrones. Lo mismo puede pasar con los quarks. Al final, si se dan las condiciones, la gravedad gana.

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