Un estudio internacional ha encontrado evidencia de un efecto buscado durante mucho tiempo en los datos del acelerador de partículas. La llamada “singularidad triangular”, describe cómo las partículas pueden cambiar sus identidades intercambiando quarks, imitando así una nueva partícula. La publicación está disponible en Physical Review Letters.

El mecanismo también proporciona nuevos conocimientos sobre un misterio de la física: los protones, los neutrones y muchas otras partículas son mucho más pesados ​​de lo que cabría esperar. Esto se debe a las peculiaridades de la fuerte interacción que mantiene unidos a los quarks. La singularidad triangular nos ayudaría a comprender mejor estas propiedades.

Estudio

En su estudio, los investigadores analizaron los datos del experimento COMPASS en el CERN. Allí, ciertas partículas llamadas piones alcanzan velocidades extremadamente altas y se disparan contra los átomos de hidrógeno.

Los piones constan de dos bloques: un quark y un anti-quark. Estos se mantienen unidos por la interacción nuclear fuerte, al igual que dos imanes cuyos polos se atraen entre sí. Sin embargo, cuando los imanes se alejan unos de otros, la atracción entre ellos disminuye. No ocurre lo mismo con la interacción fuerte, pues en ella aumenta en línea con la distancia, similar a la fuerza de tracción de un elástico.

No obstante, el impacto del pion sobre el núcleo de hidrógeno es tan fuerte que dicho elástico se rompe. La energía de estiramiento almacenada en él se libera de golpe. “Esto se convierte en materia, que crea nuevas partículas”, explica el Prof. Dr. Bernhard Ketzer de la Universidad de Bonn.

Extraña señal

En 2015, los detectores COMPASS registraron una señal inusual después de tal prueba de choque. La data parecía indicar que la colisión había creado una nueva partícula exótica durante unas pocas fracciones de segundo.

“Las partículas normalmente constan de tres quarks, incluyendo a los protones y neutrones, por ejemplo; o, como los piones, de un quark y un antiquark”, dice Ketzer. “Este nuevo estado intermedio de corta duración, en cambio, parecía consistir en cuatro quarks”.

Junto con su grupo de investigación y sus colegas de la Universidad Técnica de Munich, el físico sometió los datos a un nuevo análisis. Sorprendidos, demostraron que la señal también puede ser explicada de otra manera: por la mencionada singularidad triangular.

Según esto, la colisión de partículas no produjo un tetraquark, sino un intermedio quark-antiquark completamente normal, el cual se desintegraría de nuevo de inmediato, pero de una manera inusual.

“Las partículas involucradas intercambiaron quarks y cambiaron sus identidades en el proceso”, señala Ketzer, “La señal resultante se ve exactamente igual a la de un tetraquark con una masa diferente”, agrega.

Interacción fuerte

Esta es la primera vez que se detecta una singularidad triangular de este tipo que imita directamente una nueva partícula en dicho rango de masas. El resultado es interesante porque permite nuevos conocimientos sobre la naturaleza de la interacción fuerte.

Los protones, neutrones, piones y otras partículas (llamadas hadrones) tienen masa. La obtienen del llamado mecanismo de Higgs, pero obviamente no de manera exclusiva. Un protón tiene aproximadamente 20 veces más masa de lo que puede explicarse por el mecanismo de Higgs solo.

“La mayor parte de la masa de hadrones se debe a la interacción fuerte”, explica Ketzer. “Aun así, no se tiene claro cómo se producen exactamente las masas de los hadrones. Nuestros datos nos ayudan a comprender mejor las propiedades de la interacción fuerte y quizás sus formas de contribución a la masa de las partículas”.

La singularidad triangular fue postulada en la década de 1950 por el físico ruso Lev Davidovich Landau, pero sigue sin ser probada directamente. Recibe el nombre de singularidad porque los métodos matemáticos para describir las interacciones de partículas subatómicas se rompen.