Alfredo Valcarce, catedrático de Física Nuclear y de Partículas de la Universidad de Salamanca, en colaboración con sus colegas investigadores Jean-Marc Richard, reconocido científico y profesor emérito de la Universidad de Lyon, y Javier Vijande, catedrático de la Universidad de Valencia y antiguo alumno de la USAL, acaba de publicar nuevos avances sobre uno de los aspectos más interesantes de la Física en la actualidad que aborda la posible existencia de materia hadrónica estable formada por quarks muy pesados.
Physical Review Letters, una de las revistas más prestigiosas del campo de la Física de Partículas, recoge la investigación conjunta titulada “Very heavy flavored dibaryons” en la que los físicos de las universidades españolas y francesa contribuyen a esclarecer aspectos básicos de la interacción fuerte, uno de los problemas más complejos, largamente estudiados y todavía no resueltos de la Física Nuclear y de Partículas.
En el trabajo, los científicos han resuelto el problema de seis cuerpos con interacciones realistas que permiten describir los estados más ligeros como el protón y el neutrón. Se trata de “técnicas numéricas muy complejas con una gran dificultad teórica añadida” consecuencia de problemas de teoría de grupos e identidad de partículas, cuyo desarrollo “ha sido el fruto de un trabajo conjunto durante muchos años y que es accesible a muy pocos grupos de investigación en el mundo”, explica Alfredo Valcarce a Comunicación USAL.
La investigación, con soluciones exactas del problema de seis cuerpos en el límite de quarks pesados, es “un paso importante para acotar las 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 de Partículas en el siglo XXI, mejorar nuestro conocimiento de la interacción fuerte”, subraya el catedrático de la USAL.
En este sentido, y en palabras del científico, “no se debe olvidar, que más allá del puro conocimiento teórico, estamos hablando de progresar en el conocimiento de la teoría básica, fundamental en procesos tan relevantes como la obtención de energía a través de fisión o fusión”, o incluso el desarrollo de “tratamientos médicos avanzados en la lucha contra otra de las grandes pandemias de la humanidad, el cáncer”.
Protones, neutrones y quarks
Los constituyentes de los núcleos, protones y neutrones, están formados por entidades fundamentales que reciben el nombre de quarks. Los quarks solo aparecen en la naturaleza en agregados de tres partículas (barión) o partícula-antipartícula (mesón). Sin embargo, la teoría básica de la interacción fuerte, la Cromodinámica Cuántica (QCD), permite la existencia de agregados con un mayor número de quarks siempre que sean un múltiplo entero o combinación 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 y un antiquark, pentaquarks. Estas estructuras reciben de forma genérica el nombre de multiquarks y su posible estabilidad -en lenguaje técnico se habla de que puedan estar ligados- se ha debatido durante décadas en la comunidad de la interacción fuerte.
En la naturaleza hay seis tipos distintos de quarks. El mundo que observamos está formado únicamente por los quarks más ligeros, que conocemos como up (u) y down (d). Los otros tipos, con nombres tan curiosos como strange (s), charm (c), bottom (b) y top (t), son más pesados y se transforman de forma espontánea en los más ligeros. En la actualidad estos quarks más pesados se pueden producir de forma sencilla a través de colisiones de partículas en grandes aceleradores, como es el LHC en Europa, Belle en Japón o RHIC en USA, entre otros.
Origen del trabajo
Recientemente el LHC confirmó la existencia de bariones con dos quarks pesados, charm, y uno ligero, up. El resultado se publicó en Physical Review Letters, con una referencia explícita a los trabajos teóricos del grupo de Valcarce, Richard y Vijande, 10.1140/epja/i2008-10616-4, en los que 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 llevado a un intenso trabajo teórico en el estudio de otros agregados conteniendo dichos quarks pesados y, además, dio origen a la pregunta que se contesta en el trabajo conjunto recién publicado: ¿Forman un estado ligado un sistema de tres quarks charm y tres quarks bottom, el llamado dibarión superpesado bbbccc, o se fragmenta de forma espontánea en un barión con tres quarks charm y otro barión con tres quarks bottom?
La teoría básica de la interacción fuerte, la Cromodinámica Cuántica, es muy difícil de resolver, de hecho, a día de hoy no hay soluciones exactas salvo en determinados límites. La solución se hace más accesible en el límite en el que los quarks tienen masas muy grandes, como sería el caso del dibarión superpesado. Un trabajo reciente basado en soluciones discretas de la QCD, 10.1103/Physrevlett.123.162003, ha sugerido que el dibarión superpesado bbbccc está ligado.
En el estudio en colaboración entre la Universidad de Lyon (Francia) y las universidades de Salamanca y Valencia se ha resuelto el problema de seis cuerpos con interacciones realistas que permiten describir los estados más ligeros como el protón y el neutrón. El resultado lleva a los científicos Richard, Valcarce y Vijande a la conclusión contraria a los cálculos discretos de QCD, la inestabilidad del dibarión superpesado. Cuando todos los constituyentes son muy pesados, no se gana energía por fusionar dos bariones en un dibarión.
Una de las consecuencias generales que se extrae del trabajo es “la dificultad de formar estructuras multiquark estables incluso cuando contienen quarks pesados. Muchas de las aproximaciones actuales a la QCD predicen todo un zoo de multiquarks estables que las soluciones rigurosas de la teoría no sostienen”, apunta Valcarce. De hecho, los trabajos más serios concluyen la dificultad de la estabilidad de estos estados exóticos, que solo existirían “en configuraciones muy específicas, con una mezcla muy particular de quarks pesados y quarks ligeros, como hemos publicado recientemente en otros trabajos teóricos, 10.1103/PhysRevC.97.035211”, concluye el físico de la Universidad de Salamanca.
Los resultados de este trabajo han sido resaltados en la web del Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon, https://www.ip2i.in2p3.fr/spip.php?article2354.
