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Después de 48 años de búsqueda, los físicos descubren una partícula ultra rara de 'triple bola de pegamento'

Crédito de la imagen: CERN

Una partícula nunca antes vista se ha revelado en las entrañas calientes de dos colisionadores de partículas, lo que confirma una teoría de medio siglo de antigüedad.

Los científicos predijeron la existencia de la partícula, conocida como odderon, en 1973, y la describieron como una combinación rara y de corta duración de tres partículas más pequeñas conocidas como gluones. Desde entonces, los investigadores han sospechado que el odderon podría aparecer cuando los protones chocanjuntos a velocidades extremas, pero las condiciones precisas que lo harían surgir siguen siendo un misterio. Ahora, después de comparar los datos del Gran Colisionador de Hadrones LHC, el destructor de átomos en forma de anillo de 17 millas de largo 27 kilómetros cerca deGinebra que es famosa por descubrir el bosón de Higgs y el Tevatron, un colisionador estadounidense ahora desaparecido de 3.9 millas de largo 6.3 km que golpeó a los protones y sus gemelos de antimateria antiprotones juntos en Illinois hasta 2011, los investigadores informan evidencia concluyente de laexistencia de odderon.

Buscando al odderon

Así es como lo encontraron: después de esas colisiones de partículas, los científicos observaron para ver qué sucedía. Teorizaron que los odderones aparecerían a velocidades ligeramente diferentes en las colisiones protón-protón y las colisiones protón-antiprotón. Esta diferencia se revelaría en un ligerodesajuste entre las frecuencias de los protones que rebotan en otros protones y las frecuencias de los protones que rebotan en los antiprotones.

Las colisiones del LHC y el Tevatron ocurrieron a diferentes niveles de energía. Pero los investigadores detrás de este nuevo artículo desarrollaron un enfoque matemático para comparar sus datos. Y produjeron este gráfico, al que llamaron el "gráfico de dinero" :

Un gráfico muestra dos líneas similares que no siguen exactamente el mismo camino. La diferencia entre estas dos líneas se debe a la existencia del odderon. Crédito de la imagen: Cortesía de la Universidad de Kansas

La línea azul, que representa las colisiones protón-antiprotón, no se alinea perfectamente con la línea roja, que representa las colisiones protón-protón. Esa diferencia es el signo revelador del odderón, demostrado con una significación estadística de 5 sigma, lo que significa que elLas probabilidades de que un efecto como este emerja aleatoriamente sin odderons involucrados serían de 1 en 3.5 millones.

Por qué las colisiones de protones crean odderones

Entonces, ¿qué son los odderones? Básicamente, son una combinación rara de tres partículas "pegajosas" conocidas como gluones.

Los protones no son partículas fundamentales e indivisibles. Más bien, están construidos con tres quarks y muchos gluones. Esos quarks son los pesos pesados ​​del mundo subatómico, relativamente voluminosos y responsables de formar la masa de protones y neutrones y, a su vez, la mayor parte de la masa de átomos y carga electromagnética.Pero los gluones juegan un papel igualmente importante: llevan el fuerza fuerte , uno de los cuatro fuerzas fundamentales del universo, responsable de "pegar" los quarks en protones y neutrones, y luego unir esos protones y neutrones dentro de los núcleos atómicos.

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Cuando los protones chocan a energías súper altas dentro de colisionadores de partículas como el LHC, se rompen en pedazos aproximadamente el 75% del tiempo. El 25% restante del tiempo, rebotan entre sí como bolas de billar en una mesa de billar. En estePor ejemplo, un proceso llamado dispersión elástica, los protones sobreviven al encuentro. Y los físicos creen que es posible porque los protones intercambian dos o tres gluones. En el breve punto de contacto, ese conjunto de gluones viaja desde el interior de un protón alinterior del otro.

"En la física de altas energías, siempre intercambiamos algunas partículas cuando interactúan dos protones, o un protón y un antiprotón" interactúan, dijo a Rhythm89 el autor principal del estudio, Christophe Royon, físico de la Universidad de Kansas. "En la mayoría de los casos,será un gluón. "

Es importante que tanto las colisiones protón-protón como las colisiones protón-anti-protón intercambien partículas, porque es en la sutil diferencia entre esos dos tipos de intercambios donde se reveló el odderón.

Ocasionalmente, un cuasi estado llamado bola de pegamento, un par o trío de gluones, surge durante una colisión. Los científicos ya habían confirmado la existencia de la bola de pegamento doble, pero esta es la primera vez que observan con confianza la bola de pegamento triple llamadael odderon, el que en 1973 se predijo que existía.

Estas bolas de pegamento mantienen los protones intactos debido a una propiedad llamada color. Los colores y anticolores son similares a las cargas electromagnéticas positivas y negativas: controlan cómo los quarks y los gluones se atraen o repelen entre sí en un sistema mucho más complejo que electromagnetismo conocido como cromodinámica cuántica. Los quarks y gluones pueden tener una de tres cargas clasificadas como rojo, verde o azul. Y una combinación de rojo, verde y azul se dice que es "blanca" y, por lo tanto, equilibrada.

Los anticuarios, mientras tanto, tienen anti-colores - anti-rojo, anti-verde y anti-azul - que se cancelan con sus contrapartes de color para formar una carga blanca estable y balanceada. Y los gluones tienen ambos colores y anti-colores.

Pero los gluones individuales son siempre una mezcla inestable de color y anti-color: azul y anti-verde, o rojo y anti-azul, etc. "Cada gluón lleva un color y un anti-color. Y [estos gluones] donNo me gusta estar solo ", dijo Royon.

Cuando un solo gluón ingresa a un nuevo protón, se agarra a las otras partículas: los quarks y gluones que forman el protón. El solo gluón busca emparejarse con partículas que equilibran su color y anticolor. Pero los colores del interiorel protón ya está en equilibrio, y la entrada de un gluón extraño e inestable interrumpe el equilibrio interno del protón, lo que desencadena una cascada de eventos que desgarra la partícula. Eso es lo que sucede en el 75% de las colisiones, cuando los protones se rompen.

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Pero en la cuarta parte de los casos en los que los protones rebotan entre sí en lugar de romperse, eso es una señal de que el intercambio de gluones involucró una bola de pegamento doble o triple odderon y, por lo tanto, no interrumpió el equilibrio interno de los protones. Bolas de pegamento doblestienen su propio equilibrio interno. Sus cargas de color y anti-color coinciden y se deslizan fácilmente de un protón a otro sin romperlos. En 1973, los investigadores demostraron que tres gluones deberían, teóricamente, poder formar una bola de pegamento triple en la que el rojo, los colores verde y azul se equilibran entre sí. Llamaron a esa partícula el odderon.

Los intercambios de gluones y de múltiples gluones ocurren durante el más breve de los momentos en las energías más extremas. Hasta ahora, nadie había visto o detectado directamente un odderón o la doble bola de pegamento, para el caso, aunque su existencia ha sido confirmada indirectamente..

La detección del Odderon no cambiará la cara de la física, como el astrofísico Paul Sutter de SUNY Stony Brook escrito en un artículo para Rhythm89 en 2019 , cuando los investigadores detectaron por primera vez una posible evidencia de la partícula. Sutter y muchos otros investigadores argumentan que no es una partícula verdadera sino una cuasipartícula, porque no es más que una disposición temporal de partículas más pequeñas se podría decir lo mismo.de protones y neutrones, sin embargo. Royon dijo que el descubrimiento es importante porque confirma que las ideas básicas sobre la física de partículas que los investigadores utilizaron para predecir la existencia del odderon en 1973 eran correctas.

Publicado originalmente en Rhythm89.