Dos nuevas partículas formadas por quarks exóticos han sido descubiertas dentro del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), cerca de Ginebra, Suiza. Las partículas son un tipo de bariones –categoría de partículas que también incluye a los protones y los neutrones– nunca antes observadas. Hacía tiempo que se había predicho la existencia de estos bariones, pero características concretas como su masa eran desconocidas hasta ahora. Estas nuevas medidas sirven para confirmar y perfilar la teoría actual de partículas subatómicas, y ayudan a allanar el camino hacia una teoría más profunda que podría incluir más partículas exóticas.
 
Los científicos responsables del experimento Large Hadron Collider beauty (LHCb) anunciaron el descubrimiento de los dos bariones Xib'- y Xib *- (pronunciado "zi-b-prime" y "zi-b-star") el 10 de febrero en la revista Physical Review Letters  (aunque en noviembre se había registrado una versión preliminar del artículo en el servidor arXiv.) "Era muy probable que existieran estas dos partículas", comenta Matthew Charles de la Universidad Pierre y Marie Curie, y co-autor del estudio. "Pero por supuesto se debía comprobar, porque a veces encontramos sorpresas". Ambas partículas contienen un quark b, un quark extraño y un quark bajo. Lo que diferencia estas partículas entre sí –y entre otras agrupaciones de los mismos tres tipos de quarks encontradas anteriormente en el LHC– es la disposición de los spins de estos quarks.
 
Spin cuántico
El spin es una de las características cuánticas básicas, que es intrínseca a cualquier partícula. Todos los quarks tienen un spin de un medio (1/2). Cuando dos quarks dentro de la misma partícula giran en la misma dirección sus spins se suman, y cuando giran en direcciones opuestas se anulan. Los spins son como imanes (donde los polos iguales se repelen), así que los quarks prefieren girar en direcciones opuestas. Se necesita energía adicional para alinear dos quarks y hacer que giren en la misma dirección.

La configuración de menor energía en una partícula Xib se da cuando los dos quarks más ligeros (el bajo y el extraño) se desalinean con los spins anulándose a cero, y el quark b (más pesado) gira en cualquier dirección, obteniendo un spin total de un medio. Este estado fundamental, llamado Xib*0, se encontró en el LHC en 2012.
 
Los dos bariones ahora descubiertos son configuraciones de mayor energía. En ambos los dos quarks más ligeros giran en paralelo, generando un spin combinado de 1. En  Xib'- el quark b gira opuesto a los otros dos, otorgando a la partícula un spin total de un medio (1 menos la mitad). En Xib* el spin de los tres quarks se alinea, dándole un spin total de 1 y medio. Esta triple alineación requiere más energía que cualquier configuración, haciendo que Xib* sea el más pesado de los tres estados.

Antes del descubrimiento de las partículas, los físicos habían estimado sus masas basándose en la teoría cromodinámica cuántica (QCD), que describe la fuerza nuclear fuerte (una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza), responsable de mantener los quarks unidos. La fuerza nuclear fuerte se transporta por partículas llamadas gluones, así que dentro de cualquier partícula que se mantenga unida por la fuerza nuclear fuerte habrá también gluones. Además, a parte de los principales quarks y gluones, en los experimentos continúan apareciendo "pares virtuales" de quarks y antiquarks (la contraparte de antimateria de los quarks). Este zoológico de partículas hace que los cálculos basados en la teoría QCD sean increíblemente difíciles, hasta el punto de que las estimaciones de masas solo pueden conseguirse utilizando supercomputadoras que ejecutan simulaciones complejísimas que incluyen todos los componentes de la partícula en los cálculos.

"Supuestamente tenemos una teoría que nos dice cómo deben comportarse estas partículas y eso en principio debería abrir nuevas puertas. Pero en la práctica, nuestra capacidad de cálculo es bastante limitada", apunta Frank Wilczek, físico teórico del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y ganador del Premio Nobel por colaborar en la formulación de la teoría QDC.
 
Los nuevos resultados del LHCb concuerdan con las mejores predicciones de la teoría QCD acerca de las masas de Xib. "Es una validación de que el enfoque teórico es correcto y que tenemos los cálculos bajo control", afirma el teórico Richard Woloshyn del Canadian particle physics laboratory TRIUMF, que publicó una predicción de las masas Xib en 2009. Las mediciones servirán como nuevos puntos de referencia para asentar la teoría. "Necesitamos más ejemplos para poner a prueba los métodos computacionales y explorar lo que los diferentes métodos pueden enseñarnos", comenta Wilczek. "Este sistema nos ayudará a perfeccionar estas técnicas."
 
 
Probando el modelo estándar
Hasta el momento, los bariones descubiertos se comportan de acuerdo a la teoría QCD y al modelo estándar de la física, que describe todas las partículas conocidas en el universo. Sin embargo, los científicos saben que el modelo estándar no es definitivo, ya que no tiene en cuenta la materia oscura (materia invisible bastante más abundante que la materia normal del cosmos). Al hacer mediciones cada vez más precisas de las predicciones del modelo estándar, los investigadores esperan encontrar grietas que marquen el camino hacia una teoría mayor, para sustituirlo. "Estas dos partículas en sí mismas se ajustan perfectamente al modelo estándar”, comenta Matthew Charles “pero a largo plazo esperamos sumar más e ir más allá del propio modelo estándar".

Las partículas Xib, como todas las nuevas partículas descubiertas en el LHC (incluyendo el famoso bosón de Higgs), surgieron a raíz de colisiones a alta velocidad entre protones dentro del anillo subterráneo de 27 kilómetros del acelerador. Cuando los protones se desintegran, su masa y energía se convierte en nuevas partículas. Cuanto mayor sea la energía de una colisión, más masa tendrán las nuevas partículas. Esta primavera, el LHC volverá a acelerar a energías más altas que nunca antes, después de dos años de permanecer pausado para realizar mejoras. Estas energías superiores deberían permitir la aparición de más partículas, y aún más pesadas, que quizás revelen más partículas exóticas que consigan ampliar los límites del modelo estándar.