Durante décadas, los físicos han estado organizando meticulosamente su creciente colección de partículas subatómicas, solo para que algunos recién llegados se nieguen a sentarse ordenadamente en las casillas designadas. Investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores Thomas Jefferson del Departamento de Energía de EE. UU. han encontrado ahora evidencia de dos estructuras inesperadas que podrían ayudar a poner orden en parte del caos.

Las señales podrían arrojar luz sobre los estados XYZ, un grupo desconcertante de objetos que no encajan en la imagen convencional de partículas hechas de quarks, los componentes fundamentales de la materia. Por primera vez, los investigadores de Jefferson Lab detectaron dos de estas señales cuando un haz de fotones de alta energía chocó contra un blanco de protones.

Los hallazgos provienen de la Colaboración de Excitaciones Glutónicas (GlueX) en el Salón Experimental D de Jefferson Lab y se publicaron recientemente en Physical Review Letters. Los resultados podrían ayudar a los científicos a comprender cómo una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza contribuye a la formación de la materia.

"Fuimos a buscar un candidato XYZ confirmado con un haz de fotones, pero en cambio encontramos dos estructuras más", dijo Malte Albrecht, científico del personal de Jefferson Lab. "Es información nueva". Traducción: apuntaron a una partícula exótica y accidentalmente descubrieron dos más, lo que es una gran victoria o una broma cósmica.

Desde la década de 1950, los experimentos de colisiones de alta energía han estado desenterrando un verdadero zoológico de partículas subatómicas llamadas hadrones, que son partículas compuestas formadas por dos o más quarks unidos por la fuerza nuclear fuerte. Ejemplos familiares incluyen protones y neutrones, cada uno con tres quarks (aunque se conocían mucho antes). Entre los recién llegados había partículas de corta vida llamadas mesones, típicamente un quark emparejado con su contraparte de antimateria, el antiquark.

En 1964, los físicos introdujeron el modelo de quarks para imponer orden en estos estados ligados. La versión más temprana tenía tres "sabores" de quarks: arriba, abajo y extraño. Los quarks arriba y abajo, por ejemplo, forman protones y neutrones; arriba, abajo y extraño son los tres tipos de quarks más ligeros. Luego, en 1974, el quark encanto más pesado apareció y metió una llave en la maquinaria, pero también ayudó a construir el marco que se convirtió en el Modelo Estándar, la teoría amplia que describe las partículas elementales y las fuerzas fundamentales, mientras expandía el espectro conocido de estructuras hadrónicas.

A medida que los aceleradores se volvieron más potentes y los detectores más sensibles, los investigadores comenzaron a ver procesos más sutiles. Después de 2000, los experimentos comenzaron a revelar hadrones con propiedades cuánticas que no encajaban en el modelo original de quarks. Los descubrimientos se acumularon tan rápido que los físicos etiquetaron a muchas de estas partículas mal comprendidas como estados XYZ.

"Estamos en una nueva era aquí, similar a hace más de 70 años", dijo Frank Nerling, colaborador de Jefferson Lab del Centro GSI Helmholtz de Investigación de Iones Pesados y la Universidad Goethe de Frankfurt. "Primero, se descubrió un zoológico de hadrones. Ahora, nos enfrentamos a un zoológico de los llamados estados exóticos".

Los hadrones que contienen un quark encanto y su compañero anti-encanto ocupan una región de masa llamada charmonio; las partículas con quarks extraño y anti-extraño pueblan el strangeonio. Muchos estados XYZ se han detectado en estos sectores. En 2006, los investigadores del experimento BaBar en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del DOE informaron un posible estado strangeonio con una masa de aproximadamente 2.16 mil millones de electronvoltios (2.16 GeV), designándolo Y(2175). BaBar creó Y(2175) colisionando electrones y positrones (aniquilación e+e-). Y(2175) mostró un comportamiento cuántico que podría ser difícil de explicar como un simple par quark-antiquark: podría ser un estado híbrido que involucra dos quarks extraños y gluones excitados (los portadores de la fuerza fuerte), un tetraquark de cuatro quarks, o una combinación similar a una molécula de otras partículas compuestas.

Experimentos posteriores de colisionadores de electrones y positrones (BES en China, Belle en Japón) confirmaron Y(2175), pero hasta ahora no se había visto a través de ningún proceso que no fuera la aniquilación e+e-. "El desafío es que tienes muchas..."