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El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es también un gran descubridor de hadrones. El destructor de átomos cerca de Ginebra, Suiza, es más famoso por demostrar la existencia del bosón de Higgs en 2012, un descubrimiento que produjo la piedra angular final de la clasificación actual de partículas elementales. Pero el LHC también ha anotado docenas de partículas no elementales llamadas hadrones , aquellas que, como protones y neutrones, están hechas de quarks.

El último hadrones hizo su debut en la reunión virtual de la Sociedad Europea de Física el 29 de julio, cuando el físico de partículas Ivan Polyakov en la Universidad de Syracuse en Nueva York https://indico.desy.de/event/28202/contributions/105627/" data-track-category="body text link">dio a conocer un hadrón exótico previamente desconocido hecho de cuatro quarks. Esto llevó la recompensa de hadrones del LHC a 62 (ver 'Descubrimientos de partículas') según https://www.nikhef.nl/~pkoppenb/particles.html" data-track-category="body text link">un recuento mantenido por Patrick Koppenburg,un físico de partículas de Nikhef, el Instituto Nacional Holandés de Física Subatómica en Ámsterdam. "Todas estas son primicias mundiales", dice Koppenburg, que tiene su sede en el CERN, el laboratorio europeo de física de partículas que alberga el LHC.

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El panteón establecido de partículas, llamado modelo estándar, describe los bloques de construcción básicos de la materia y las fuerzas fundamentales que actúan sobre ellos. Incluye seis sabores de quarks, sus seis contrapartes de antimateria y varias otras partículas elementales, incluyendo electrones y fotones. El modelo estándar también incluye reglas sobre cómo los quarks forman partículas compuestas llamadas hadrones. Los quarks se mantienen unidos por la fuerza nuclear fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales. Los dos quarks más comunes en la naturaleza se llaman 'arriba' y 'abajo'; sus combinaciones posibles incluyen neutrones (uno arriba y dos abajo) y protones (dos arriba y uno abajo).

Los protones son los únicos hadrones que se sabe que son estables de forma aislada — los neutrones son estables sólo cuando se incorporan a los núcleos atómicos. Todos los demás hadrones se forman sólo fugazmente, a partir de la colisión de otras partículas, y decaen en una fracción de segundo. Así que el LHC crea nuevos tipos de hadrones al causar colisiones frontales de alta energía entre protones.

Cuarteto del quark

La mayoría de los nuevos tipos de hadrones del LHC han sido detectados por LHCb, uno de los cuatro detectores gigantes en el túnel circular de 27 kilómetros que alberga el LHC, y la partícula anunciada por Polyakov no fue la excepción. Revisando los datos sobre los escombros de las colisiones de protones, Polyakov y su colaborador Vanya Belyaev en el Instituto de Física Teórica y Experimental de Moscú encontraron la firma esperada de un 'tetraquark' —un hadrones de cuatro quarks— llamado TCc+.

Los tetraquarks son extremadamente inusuales: la mayoría de los hadrones conocidos están hechos de dos o tres quarks. El primer tetraquark fue visto en la High Energy Accelerator Research Organization (KEK) en Tsukuba, Japón, en 2003, y LHCb ha visto varios más. Pero la nueva es una rareza. Los tetraquarks anteriores eran probablemente pares de dobletes de quarks ordinarios unidos entre sí como átomos en una molécula, pero el físico teórico Marek Karliner piensa que el último podría ser un cuadrúpedo genuino y estrechamente unido. "Es un gran problema. Es un animal nuevo, no una molécula hadrónica. Es el primero de su tipo", dice Karliner, que está en la Universidad de Tel Aviv en Israel y ayudó a predecir la existencia de una partícula con las mismas propiedades que TCc+ en 20171.

En la naturaleza, los tetraquarks probablemente existieron solo durante los primeros instantes del Universo, cuando toda la materia estaba comprimida en un espacio extremadamente estrecho, dice Belyaev. Pero crearlos de nuevo ayuda a los físicos a probar sus teorías sobre cómo interactúan las partículas a través de la fuerza nuclear fuerte.

Los datos revelaron las propiedades de la nueva partícula con tanta precisión que Belyaev quedó aturdido. "Mi primera reacción fue: es mi error", dice. Por ejemplo, la masa de la partícula, que es alrededor de 4 veces la de un protón, fue clavada con un margen de error casi 3.000 veces mejor que en el descubrimiento del bosón de Higgs. Belyaev añade que TCc+ podría haber sido descubierto en datos de los primeros años del LHC, pero él y sus colegas del LHCb no lo encontraron hasta ahora porque tenían una larga lista de otras partículas que buscar.

Posibilidades ilimitadas

La búsqueda de nuevos hadrones continuará. Docenas de combinaciones de quarks pueden dar lugar a hadrones. Karliner dice que hay 50 posibles hadrones de 2 quarks, todos menos uno de los cuales han sido observados, y 75 posibles trillizos de quarks (y otros tantos trillizos de antiquarks), de los cuales se han visto casi 50. "Estamos seguros de que todos los demás existen, pero son difíciles de hacer", dice Karliner.

Además, para cada combinación de quarks, hay un número casi ilimitado de posibles "estados excitados" más pesados — distinguidos, por ejemplo, por la rapidez con la que giran — y cada uno se clasifica como una partícula separada. Muchas se han encontrado experimentalmente, y de hecho la mayoría de las partículas en el catálogo de Koppenburg son estados excitados. "Quién sabe cuántos otros estados están allí ocultos a la vista, sentados en los datos de una computadora portátil", dice Koppenburg, quien, al igual que Polyakov y Belyaev, es miembro de la colaboración LHCb.

Pero también se pregunta si todos estos descubrimientos deberían ser tratados como partículas discretas. "Tiendo a estar cada vez más convencido de que necesitamos una mejor definición de lo que es una partícula", dice.

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