Alfredo Valcarce, catedrático de Física Nuclear y dePartículas de la Universidad de Salamanca, en colaboración con sus colegasinvestigadores Jean-Marc Richard, reconocido científico y profesor emérito dela Universidad de Lyon, y Javier Vijande, catedrático de la Universidad deValencia y antiguo alumno de la USAL, acaba de publicar nuevos avances sobreuno de los aspectos más interesantes de la Física en la actualidad que abordala posible existencia de materia hadrónica estable formada por quarks muypesados.
Physical Review Letters, una de las revistas másprestigiosas del campo de la Física de Partículas, recoge la investigaciónconjunta titulada “Very heavy flavored dibaryons” en la que los físicos de lasuniversidades españolas y francesa contribuyen a esclarecer aspectos básicos dela interacción fuerte, uno de los problemas más complejos, largamenteestudiados y todavía no resueltos de la Física Nuclear y de Partículas.
En el trabajo, los científicos han resuelto el problema deseis cuerpos con interacciones realistas que permiten describir los estados másligeros como el protón y el neutrón. Se trata de “técnicas numéricas muycomplejas con una gran dificultad teórica añadida” consecuencia de problemas deteoría de grupos e identidad de partículas, cuyo desarrollo “ha sido el frutode un trabajo conjunto durante muchos años y que es accesible a muy pocosgrupos de investigación en el mundo”, explica Alfredo Valcarce a ComunicaciónUSAL.
La investigación, con soluciones exactas del problema deseis cuerpos en el límite de quarks pesados, es “un paso importante para acotarlas soluciones de la teoría en el sector de quarks ligeros y, por tanto,avanzar en uno de los desafíos más importantes de la Física Nuclear y dePartículas en el siglo XXI, mejorar nuestro conocimiento de la interacciónfuerte”, subraya el catedrático de la USAL.
En este sentido, y en palabras del científico, “no se debeolvidar, que más allá del puro conocimiento teórico, estamos hablando deprogresar en el conocimiento de la teoría básica, fundamental en procesos tanrelevantes como la obtención de energía a través de fisión o fusión”, o inclusoel desarrollo de “tratamientos médicos avanzados en la lucha contra otra de lasgrandes pandemias de la humanidad, el cáncer”.
Protones, neutrones yquarks
Los constituyentes de los núcleos, protones y neutrones,están formados por entidades fundamentales que reciben el nombre de quarks. Losquarks solo aparecen en la naturaleza en agregados de tres partículas (barión)o partícula-antipartícula (mesón). Sin embargo, la teoría básica de lainteracción fuerte, la Cromodinámica Cuántica (QCD), permite la existencia deagregados con un mayor número de quarks siempre que sean un múltiplo entero ocombinación de las estructuras anteriores.
Así, podrían existir, por ejemplo, agregados de seis quarks,dibariones, de dos quarks y dos antiquarks, tetraquarks, o de cuatro quarks yun antiquark, pentaquarks. Estas estructuras reciben de forma genérica elnombre de multiquarks y su posible estabilidad -en lenguaje técnico se habla deque puedan estar ligados- se ha debatido durante décadas en la comunidad de lainteracción fuerte.
En la naturaleza hay seis tipos distintos de quarks. Elmundo que observamos está formado únicamente por los quarks más ligeros, queconocemos como up (u) y down (d). Los otros tipos, con nombres tan curiososcomo strange (s), charm (c), bottom (b) y top (t), son más pesados y setransforman de forma espontánea en los más ligeros. En la actualidad estosquarks más pesados se pueden producir de forma sencilla a través de colisionesde partículas en grandes aceleradores, como es el LHC en Europa, Belle en Japóno RHIC en USA, entre otros.
Origen del trabajo
Recientemente el LHC confirmó la existencia de bariones condos quarks pesados, charm, y uno ligero, up. El resultado se publicó enPhysical Review Letters, con una referencia explícita a los trabajos teóricosdel grupo de Valcarce, Richard y Vijande, 10.1140/epja/i2008-10616-4, en losque se había calculado la masa de dicho estado, entre otros bariones pesados.La existencia de agregados con quarks pesados y una vida media larga ha llevadoa un intenso trabajo teórico en el estudio de otros agregados conteniendodichos quarks pesados y, además, dio origen a la pregunta que se contesta en eltrabajo conjunto recién publicado: ¿Forman un estado ligado un sistema de tresquarks charm y tres quarks bottom, el llamado dibarión superpesado bbbccc, o sefragmenta de forma espontánea en un barión con tres quarks charm y otro barióncon tres quarks bottom?
La teoría básica de la interacción fuerte, la CromodinámicaCuántica, es muy difícil de resolver, de hecho, a día de hoy no hay solucionesexactas salvo en determinados límites. La solución se hace más accesible en ellímite en el que los quarks tienen masas muy grandes, como sería el caso deldibarión superpesado. Un trabajo reciente basado en soluciones discretas de laQCD, 10.1103/Physrevlett.123.162003, ha sugerido que el dibarión superpesadobbbccc está ligado.
En el estudio en colaboración entre la Universidad de Lyon(Francia) y las universidades de Salamanca y Valencia se ha resuelto elproblema de seis cuerpos con interacciones realistas que permiten describir losestados más ligeros como el protón y el neutrón. El resultado lleva a loscientíficos Richard, Valcarce y Vijande a la conclusión contraria a loscálculos discretos de QCD, la inestabilidad del dibarión superpesado. Cuandotodos los constituyentes son muy pesados, no se gana energía por fusionar dosbariones en un dibarión.
Una de las consecuencias generales que se extrae del trabajoes “la dificultad de formar estructuras multiquark estables incluso cuandocontienen quarks pesados. Muchas de las aproximaciones actuales a la QCDpredicen todo un zoo de multiquarks estables que las soluciones rigurosas de lateoría no sostienen”, apunta Valcarce. De hecho, los trabajos más seriosconcluyen la dificultad de la estabilidad de estos estados exóticos, que soloexistirían “en configuraciones muy específicas, con una mezcla muy particularde quarks pesados y quarks ligeros, como hemos publicado recientemente en otrostrabajos teóricos, 10.1103/PhysRevC.97.035211”, concluye el físico de laUniversidad de Salamanca.
Los resultados de este trabajo han sido resaltados en la webdel Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon,https://www.ip2i.in2p3.fr/spip.php?article2354