Asombrosa unión de materia con antimateria

El análisis de los resultados de una serie de experimentos sugiere que los quarks t (quarks top), las más pesadas y de vida más corta de todas las partículas elementales, pueden emparejarse momentáneamente con sus homólogos de antimateria para producir un objeto al que se le ha dado el nombre de toponio (toponium).

Los experimentos se llevaron a cabo en el acelerador de partículas LHC, del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN). El análisis lo han realizado los científicos de la Colaboración CMS.

Las colisiones de alta energía entre protones en el LHC producen de forma rutinaria pares de quark t y antiquark t, aunque sin que ambas partículas se combinen en una sola.

Medir la probabilidad de producción de pares quark t / antiquark t es una vía importante para comprobar la fiabilidad del Modelo Estándar de la física de partículas y una forma eficaz de buscar la existencia de nuevas partículas no descritas por esa teoría de 50 años de antigüedad. Muchas de las cuestiones sin resolver en la física de partículas, como la naturaleza de la materia oscura, motivan la búsqueda de nuevas partículas, que podrían ser demasiado pesadas para haber sido producidas en experimentos previos.

Los investigadores de la Colaboración CMS estaban analizando una gran muestra de datos sobre producciones de pares quark t / antiquark t recolectados entre 2016 y 2018 para buscar nuevos tipos de bosones de Higgs, cuando detectaron algo inusual. En muchas extensiones del Modelo Estándar se predicen partículas adicionales similares a la Higgs. Si existen, se espera que tales partículas interactúen más fuertemente con el singularmente masivo quark t, cuya masa es 184 veces la del protón. Y si son lo suficientemente masivas como para desintegrarse en un par quark t / antiquark t, esto debería captarse dentro de los detectores.

La observación de más pares quark t / antiquark t de lo esperado podría considerarse una prueba de la presencia de bosones de Higgs adicionales. Los datos del detector CMS mostraron precisamente un excedente de este tipo. Curiosamente, sin embargo, el equipo observó ese exceso de pares a la energía mínima requerida para producir un par de quarks top. Esto llevó al equipo a considerar una hipótesis alternativa, propuesta hace tiempo pero que no había sido posible comprobar: una unión de corta duración entre un quark t y un antiquark t.

Detección de la anomalía que apunta a la existencia efímera de uniones entre un quark t y un antiquark t. (Imagen: CMS collaboration / CERN)

Aunque los pares quark t / antiquark t no forman estados ligados estables, los cálculos de la cromodinámica cuántica (la cual describe cómo la fuerza nuclear fuerte une los quarks en hadrones) predicen aumentos de los estados ligados en el umbral de producción de pares quark t / antiquark t.

Los autores del estudio creen, por tanto, que lo detectado es esa unión temporal entre materia y antimateria, aunque, por ahora, no pueden descartarse otras explicaciones. Una verificación adicional mediante el detector ATLAS posiblemente despeje las dudas.

Si se confirma el resultado, el toponio sería el último ejemplo de una serie de uniones efímeras de ciertas clases de quarks de materia con sus equivalentes de antimateria, detectadas anteriormente. (Fuente: NCYT de Amazings)