El primer signo de la esquiva ‘singularidad triangular’ muestra partículas intercambiando identidades en pleno vuelo

By: Paul Sutter

Fenómeno extraño propuesto por primera vez por el físico ruso Lev Landau en la década de 1950.

Los físicos que examinan datos antiguos de aceleradores de partículas han encontrado evidencia de un proceso nunca antes visto muy elusivo: la llamada singularidad triangular.

Visualizado por primera vez por el físico ruso Lev Landau en la década de 1950, una singularidad triangular se refiere a un raro proceso subatómico en el que las partículas intercambian identidades antes de alejarse unas de otras. En este escenario, dos partículas, llamadas kaones, forman dos esquinas del triángulo, mientras que las partículas que intercambian forman el tercer punto del triángulo. 

“Las partículas involucradas intercambiaron quarks y cambiaron sus identidades en el proceso”, dijo en un comunicado el coautor del estudio Bernhard Ketzer, del Instituto Helmholtz de Radiación y Física Nuclear de la Universidad de Bonn . 

Y se llama singularidad porque los métodos matemáticos para describir las interacciones de partículas subatómicas se rompen. 

Si este intercambio de identidad de partículas singularmente extraño realmente sucediera, podría ayudar a los físicos a comprender la fuerza fuerte que une al núcleo.

Apuntando la BRÚJULA

En 2015, los físicos que estudiaban las colisiones de partículas en el CERN en Suiza pensaron que habían vislumbrado brevemente una colección exótica de partículas de corta duración conocida como tetraquark. Pero la nueva investigación favorece una interpretación diferente, algo aún más extraño. En lugar de formar una nueva agrupación, un par de partículas intercambiaron identidades antes de volar. Este intercambio de identidad se conoce como singularidad triangular, y este experimento puede haber entregado inesperadamente la primera evidencia de ese proceso.

El experimento COMPASS (Aparato Común de Muones y Protones para Estructura y Espectroscopía) en el CERN estudia la fuerza fuerte. Si bien la fuerza tiene un trabajo muy simple (mantener los protones y neutrones pegados), la fuerza en sí es vertiginosamente compleja, y los físicos han tenido dificultades para describir completamente su comportamiento en todas las interacciones.

Entonces, para comprender la fuerza fuerte, los científicos de COMPASS rompen partículas a energías súper altas dentro de un acelerador llamado Super Proton Synchrotron. Luego, miran para ver qué pasa.

Comienzan con un pión, que está hecho de dos bloques de construcción fundamentales, un quark y un antiquark. La fuerza fuerte mantiene el quark y el antiquark pegados dentro del pion. A diferencia de las otras fuerzas fundamentales de la naturaleza , que se debilitan con la distancia, la fuerza fuerte se vuelve más fuerte cuanto más se separan los quarks (imagina los quarks en un pión unidos por una goma elástica; cuanto más los separas, más difícil se vuelve) .

A continuación, los científicos aceleran ese pión a casi la velocidad de la luz y lo golpean contra un átomo de hidrógeno . Esa colisión rompe el fuerte vínculo de fuerza entre los quarks, liberando toda esa energía reprimida. “Esto se convierte en materia, lo que crea nuevas partículas”, dijo Ketzer. “Experimentos como estos, por lo tanto, nos brindan información importante sobre la interacción fuerte”.

¿Cuatro quarks o un triángulo?

En 2015, el COMPASS analizó un récord de 50 millones de colisiones de este tipo y encontró una señal intrigante. A raíz de esas colisiones, menos del 1% de las veces apareció una nueva partícula. Apodaron a la partícula “a1 (1420)” e inicialmente pensaron que era una nueva agrupación de cuatro quarks: un tetraquark. Sin embargo, ese tetraquark era inestable, por lo que luego se descompuso en otras cosas.

Los quarks normalmente vienen en grupos de tres (que forman protones y neutrones) o en pares (como los piones), así que esto fue un gran problema. Un grupo de cuatro quarks fue un hallazgo raro.

Pero el nuevo análisis, publicado en agosto en la revista Physical Review Letters , ofrece una interpretación aún más extraña.

En lugar de crear brevemente un nuevo tetraquark, todas esas colisiones de piones produjeron algo inesperado: la legendaria singularidad del triángulo. 

Aquí vienen los triángulos

Esto es lo que piensan los investigadores detrás del nuevo análisis. El pión se estrella contra el átomo de hidrógeno y se rompe, con toda la energía de fuerza fuerte produciendo una avalancha de nuevas partículas. Algunas de esas partículas son kaones, que son otro tipo de par quark-antiquark. Muy raramente, cuando se producen dos kaones, comienzan a viajar por caminos separados. Eventualmente, esos kaones se descompondrán en otras partículas más estables. Pero antes de hacerlo, intercambian uno de sus quarks entre sí, transformándose en el proceso.

Es ese breve intercambio de quarks entre los dos kaones que imita la señal de un tetraquark.

“Las partículas involucradas intercambiaron quarks y cambiaron sus identidades en el proceso”, dijo Ketzer, quien también es miembro del Área de Investigación Transdisciplinaria “Bloques de construcción de la materia e interacciones fundamentales” (Materia TRA). “La señal resultante se ve exactamente igual a la de un tetraquark”.

Si traza las trayectorias de las partículas individuales después de la colisión inicial, el par de kaones forma dos patas y las partículas intercambiadas forman una tercera entre ellas, haciendo que aparezca un triángulo en el diagrama, de ahí el nombre.

Si bien los físicos han predicho singularidades de triángulos durante más de medio siglo, esto es lo más cerca que ha estado cualquier experimento de observar uno. Sin embargo, todavía no es un mate. El nuevo modelo del proceso que involucra singularidades triangulares tiene menos parámetros que el modelo tetraquark y ofrece un mejor ajuste a los datos. Pero no es concluyente, ya que el modelo tetraquark original aún podría explicar los datos.

Aún así, es una idea intrigante. Si se mantiene, será una prueba poderosa de la fuerza nuclear fuerte, ya que la aparición de singularidades triangulares es una predicción de nuestra comprensión de esa fuerza que aún no se ha examinado completamente.