Experimento CMS observa estado excitado de una vieja partícula

Personas en el estado fundamental (arriba) y en diferentes estados excitados.

Estado fundamental y estados excitados

Una persona en su vida tiene diferentes niveles. Cuando una persona descansa podríamos decir que se encuentra en su nivel más cómodo, más relajado. Llamemos a esto su estado fundamental, término que sólo significa que es el estado en el cual la persona desea estar ya que requiere el mínimo posible de energía. Esta persona despierta en la mañana y se dirige a su trabajo, período en el cual debe estar más alerta, atento a las calles, semáforos, etc. Este estado de la persona requiere más energía que el estado fundamental, llamamos a este un estado excitado, es decir, que requiere cierta energía para matenerse en él. Una vez en su trabajo esta persona necesita concentración para llevar a cabo sus tareas, sin importar lo que sea que la persona haga en su trabajo, esto sería otro tipo de estado excitado (requiere más energía que el fundamental). Notar que en cualquiera de los estados excitados que la persona pueda estar, ella sabe que existe un nivel o estado de menor energía, más cómodo en el que quisiera estar: el estado fundamental. Una observación muy importante (aunque parezca obvia) es que a pesar de tener varios posibles estados o niveles en todos los casos la persona es la misma, es decir, sólo el nivel de alerta o excitación de la persona cambia cuando se encuentra en diferentes estados. Por supuesto estos no son los únicos estados excitados, podemos predecir nuevos estados excitados, por ejemplo, suponiendo que esta persona al final del día va al gimnasio a ejercitarse. Esto correspondería a nuevo estado que requiere aún más energía que no necesariamente ha sido observado pero es perfectamente posible que exista.

¿Qué tiene esto que ver con partículas? Resulta que hay partículas que no son elementales, están compuestas por otras más pequeñas. Así como el neutrón y el protón que están formados por quarks, hay muchas otras partículas compuestas por quarks (llamadas en general hadrones) que tienen varios estados o niveles. Tienen un estado fundamental en el cual quisieran estar porque requiere el mínimo de energía; y existen configuraciones en las cuales estos hadrones se encuentran en estados excitados, es decir, de mayor energía. Lo mismo ocurre con sistemas más complejos como los átomos (gracias Francis por la sugerencia). Los electrones en un átomo poseen un estado fundamental y diversos estados excitados. Estas excitaciones pueden lograrse por ejemplo cuando un electrón absorbe una partícula de luz (un fotón). Con la energía extra disponible, el electrón “salta” de un nivel atómico a otro. Dado que electrón sabe que existe un nivel de energía más bajo en algún momento posterior “saltará” de regreso a su nivel original emitiendo la energía en forma de luz. Esto es justamente uno de los principios en los cuales se basa el láser.

CMS observa estado excitado del barión  \Xi_b^{0}

El pasado jueves, la colaboración CMS (uno de los grandes experimentos en el LHC) anunció la observación del estado excitado de una partícula llamada beauty Xi, denotada por \Xi_b^{*0}, donde el cero indica que este primo pesado del neutrón no posee carga eléctrica (aunque también existen el \Xi^+ y el \Xi^-, que poseen carga positiva y negativa, respectivamente); la b indica que uno de sus constituyentes en un quark bottom (también llamado beauty); y la estrella * denota que este hadrón (recordar que cualquier partícula constituida por quarks se llama hadrón) es un estado excitado de la partícula llamada \Xi_b^{0}. Hadrones formados por tres quarks se denominan bariones, que refiriéndose a su masa viene del griego barys que significa pesado (también hay hadrones formados por dos quarks, esos se llaman mesones, del griego mesos que significa medio). El \Xi_b^{*0} está formado por un quark up, un quark strange, y un quark bottom. La observación del estado excitado de esta partícula verifica algo que era esperado que ocurriera, no se trata de nueva física o de alguna partícula nueva. La significancia de la observación es de 5\sigma, un sólido resultado para CMS.

Decaimiento en cascada del barión \Xi_b^{*0}

¿CMS descubre una nueva partícula?

Durante el fin de semana muchos medios han anunciado que una nueva partícula ha sido descubierta en CMS. ¿Es este anuncio correcto? La respuesta corta es no. La respuesta larga es que el barión \Xi no es una partícula nueva, los primeros bariones de este tipo fueron observados por primera vez en los años 50 en rayos cósmicos. Dentro de la comunidad científica son también conocidos como cascade particles (partículas cascada) ya que al ser partículas muy masivas (el \Xi_b^{*0} es seis veces más pesado que el protón) decaen rápidamente al estado fundamental y luego en otras partículas, las que a su vez decaen, así repitiendo el proceso varias veces, fenómeno que los físicos llaman cascada. El experimento CMS ha observado un estado excitado de este barión, pero como ahora sabemos, un estado excitado no significa que se trate de otra partícula, de la misma manera que en el ejemplo de la persona, cuando está descansando en su cama (estado fundamental) y cuando está trabajando se trata de la misma persona! Lo que CMS ha observado es el equivalente a encontrarse a la persona ejercitando en el gimnasio, es decir, un estado excitado que no había sido observado antes. Es una interesante observación ya que confirma que la teoría funciona, sin embargo decir que CMS descubre una nueva partícula es erróneo. Lo correcto es decir que CMS ha observado por primera vez el estado excitado de una partícula conocida hace más de 50 años. A pesar de que esto es muy largo y poco atractivo para un titular en los medios, esto es lo que los medios deberían reportar si pretender informar al lector interesado en vez de confundirlo. Notar que lo mismo ocurrió en diciembre pasado cuando ATLAS observó el estado excitado del mesón \chi_b(3P), en cuya oportunidad también insistimos en la diferencia entre observación de un estado excitado y el descubrimiento de una nueva partícula. Hasta la fecha ninguna partícula nueva ha sido descubierta en el LHC, esperemos que esto cambie pronto. Francis entrega detalles más técnicos para los interesados.

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Acerca de Jorge Diaz

Jorge Díaz es candidato a Doctor en Física Teórica en Indiana University, Estados Unidos, donde obtuvo su Master of Science en 2009. Actualmente se encuentra terminando su Ph.D. investigando posibles desviaciones de la relatividad y sus consecuencias en física de neutrinos. En Twitter: @jsdiaz_
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4 respuestas a Experimento CMS observa estado excitado de una vieja partícula

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