Volumen 13 - Nº 77 Octubre-Noviembre 2003

En un artículo publicado en Physical Review Letters el 4 de julio último, un grupo de más de 50 físicos experimentales anunció haber dado con la primera evidencia de lo que podría ser un nuevo tipo de partícula subatómica, el pentaquark.

Antes de describir el descubrimiento, repasemos lo que se conoce de las partículas elementales, los constituyentes últimos de la materia. Es sabido que esta está formada por átomos, y que el núcleo atómico lo está por protones y neutrones. En la década de 1960 se llegó a la conclusión de que esas partículas, así como otras similares pero de mayor masa llamadas genéricamente bariones, están, a su vez, integradas por otras más pequeñas, llamadas quarks, que parecen ser sus componentes fundamentales (es decir, que no se pueden dividir en partes) y de los que se cree que existen seis variedades o ‘sabores’ (para una introducción al tema ver ‘El último quark. Análisis de un evento’, Ciencia Hoy, 26:33, 1994). Esas seis clases de quarks reciben los nombres de ‘up’ (arriba), ‘down’ (abajo), ‘strange’ (extraño), ‘charm’ (encanto), ‘bottom’ (fondo) y ‘top’ (tope); cada uno tiene como contrapartida un antiquark asociado, es decir, una partícula de antimateria (materia que, como la normal, se compone de átomos y partículas elementales pero con sus propiedades, por ejemplo la carga eléctrica, invertidas). Siempre aparecen combinados con otros quarks o con antiquarks, nunca solos. Todos los bariones conocidos hasta ahora están formados por tres quarks. Un protón, por ejemplo, se compone de dos quarks ‘up’ y uno ‘down’, mientras que un neutrón, de dos ‘down’ y un ‘up’. Además de los bariones, se conocen otras partículas formadas por quarks. Reciben el nombre de mesones y contienen dos quarks, o más precisamente un quark y un antiquark. Un ejemplo de este tipo de partículas son los llamados mesones K⁺, compuestos por un quark ‘up’ y un antiquark ‘strange’ y los K^-, por un quark ‘strange’ y un antiquark ‘up’. En otras palabras, todas las partículas formadas por quarks y conocidas hasta el momento tienen ya sea tres quarks, o un par quark-antiquark. Lo novedoso del anuncio mencionado es que la nueva partícula no pertenece a ninguna de estas dos categorías, ya que todo parece indicar que estaría formada por cinco quarks (o más precisamente cuatro quarks y un anti-antiquark), por lo que se trataría de un ‘pentaquark’, que se ha dado en llamar q⁺ (‘theta más’). En la figura 1 se ilustra su estructura.

Figura 1. Estructura de los bariones, mesones y del pentaquark q+. Como ejemplo de barión se indica el protón compuesto por dos quarks ‘up’ y uno ‘down’. Como ejemplo de mesón se indica el mesón K+ compuesto de un quark ‘up’ y un antiquark ‘strange’.

El experimento que dio origen al anuncio tuvo lugar en el laboratorio SPring 8, en Japón, y consistió en dirigir radiación electromagnética de gran energía (es decir, rayos gamma) a una muestra de carbono, de manera que los neutrones que conforman el núcleo de los átomos de carbono pudieran crear la nueva partícula al absorberla. Esto se indica en forma esquemática en la figura 2. Al igual que la mayoría de las partículas subatómicas, el pentaquark q⁺ tiene una existencia extremadamente efímera. Luego de menos de una billonésima de microsegundo (10^-18 segundos) se desintegra y da lugar a un neutrón y un mesón K⁺. Justamente, al detectar y analizar la información acerca de estos productos de desintegración los científicos llegaron a la conclusión de la probable existencia del pentaquark. A partir de la divulgación de tales resultados, otros dos grupos de investigadores, uno en el laboratorio Jefferson, de Newport News, Virgina, y el otro en el instituto de Física Teórica y Experimental de Moscú, realizaron experimentos que condujeron a conclusiones similares. Por su lado, ciertos físicos teóricos aún abrigan algunas dudas sobre la correcta interpretación de los datos. Si bien todo parece indicar que, en verdad, se trataría de un pentaquark, algunos piensan que podría ser algo análogo a una molécula formada por un neutrón y un mesón K⁺, algunas de cuyas características serían distintas de las del pentaquark. Se espera que esta cuestión pueda aclararse en breve mediante nuevos experimentos, que ya están siendo llevados a cabo.

Pág. 64/66