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Publicado por Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital
LHCb (CERN) logra por primera vez medir el espín-paridad de los bariones Ξc(3055), revelando detalles sobre su estructura interna y validando predicciones de la teoría cuántica de la fuerza fuerte.
En física de partículas, algunos descubrimientos no se anuncian con fuegos artificiales, pero su impacto se siente profundamente entre quienes estudian la estructura más íntima de la materia.
Durante casi dos décadas, los bariones Ξc(3055) habían sido detectados en varios experimentos, pero su verdadera naturaleza seguía sin resolverse.
Se sabía que estaban formados por tres quarks —uno de ellos del tipo encantado (charm, en inglés)—, pero nadie había logrado determinar una propiedad esencial: su espín-paridad, un parámetro que revela cómo se comporta la partícula bajo simetrías espaciales y rotaciones.
Ahora, el experimento LHCb, en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, ha conseguido lo que hasta hace poco parecía fuera del alcance experimental: medir por primera vez el espín-paridad de los bariones Ξc(3055)+ y Ξc(3055)0, asignándoles un valor de 3/2+.
Este avance, publicado en Physical Review Letters, supone un hito en la espectroscopía de bariones con cuark encantado y proporciona evidencia experimental que valida predicciones teóricas fundamentales de la cromodinámica cuántica (QCD).
Qué son los bariones con quark encantado
Un barión es una partícula compuesta por tres quarks, un tipo de partícula elemental que se combina en distintas configuraciones para formar protones, neutrones y otras partículas más exóticas. Cuando uno de esos quarks es del tipo encantado (charm), hablamos de un barión con quark encantado.
Los bariones Ξc(3055)+ y Ξc(3055)0 son dos versiones de este tipo de partículas, que se diferencian por los sabores de los quarks ligeros que los acompañan: arriba (up) en el primero y abajo (down) en el segundo.
Estas partículas ya habían sido observadas por los experimentos Belle y BaBar, pero aún se desconocía su espín-paridad, una propiedad que clasifica los estados cuánticos de las partículas.
Determinar el espín-paridad permite entender cómo se distribuyen los quarks dentro del barión y qué tipo de excitación orbital lo caracteriza. Sin esta información, no es posible saber si la partícula responde a las predicciones de los modelos teóricos o si estamos ante un estado desconocido.
En palabras del artículo científico, “las medidas del espín-paridad de los bariones Ξc(3055)+,0 son cruciales para precisar su naturaleza y aclarar el espectro de bariones con quark encantado”. De ahí que este resultado sea tan esperado y relevante.
Cómo se logró la medición: colisiones, decaimientos y análisis angular
La medición del espín-paridad no se obtiene de forma directa, sino que requiere un análisis detallado de cómo se desintegran estas partículas.
Para ello, el equipo del experimento LHCb utilizó datos de colisiones protón-protón a 13 TeV recogidos entre 2016 y 2018, con una luminosidad integrada de 5,4 fb⁻¹. Se centraron en una cadena de desintegración específica: Ξb → Ξc(3055)π⁻, seguida por la desintegración de Ξc(3055) en DΛ, donde D es un mesón y Λ un barión.
Gracias a técnicas de análisis de amplitud, se estudiaron las distribuciones angulares de los productos de desintegración, teniendo en cuenta tres variables: el ángulo helicoidal del barión Ξc, el ángulo helicoidal del barión Λ y el ángulo azimutal entre los planos de decaimiento. Estas variables proporcionan información sobre el espín de las partículas involucradas.
Los resultados muestran que los datos se ajustan significativamente mejor a un modelo con espín-paridad 3/2+. Según el artículo, “la hipótesis JP = 3/2+ es favorecida con una significancia superior a 6,5σ (3,5σ)”, lo que en física de partículas se considera una evidencia sólida. Esta es, además, la primera vez que se observa la desintegración Ξb → Ξc(3055)π⁻, lo que añade valor al hallazgo.
Espín-paridad: una propiedad clave para entender la estructura cuántica
El espín es una propiedad cuántica que representa el momento angular intrínseco de una partícula, mientras que la paridad indica cómo cambia su función de onda al reflejarse en el espacio. La combinación de ambas define el estado cuántico completo de una partícula.
En este caso, el espín-paridad 3/2+ indica que el barión Ξc(3055) corresponde a un estado excitado con momento angular orbital L = 2, lo que se conoce como modo λ de tipo D-wave. Este modo describe una excitación entre el quark encantado y el sistema diquark (formado por los dos quarks ligeros).
El resultado valida la predicción de que el Ξc(3055) pertenece al triplete de sabor antisimétrico 3̄F, una categoría teórica que ordena los bariones según la simetría de sus quarks.
Este tipo de excitaciones no se pueden observar de forma directa, pero sus efectos se manifiestan en las distribuciones de desintegración.
El artículo lo resume de forma contundente: “todos los resultados obtenidos para el estado Ξc(3055)+,0 apoyan su interpretación como la primera excitación D-wave del estado 3̄F de sabor”.
La asimetría arriba-abajo: una pista sobre la violación de paridad
Otro resultado importante del estudio fue la medición de la asimetría arriba-abajo en las desintegraciones. Esta asimetría mide si la partícula prefiere desintegrarse en una dirección determinada, lo que puede indicar violación de paridad, un fenómeno conocido en interacciones débiles.
El valor obtenido fue α = −0,92 ± 0,10 (estadístico) ± 0,05 (sistemático) para el barión Ξc(3055)+, lo cual es consistente con una violación de paridad máxima, tal como predicen los modelos teóricos. Para el Ξc(3055)0, el valor fue igualmente significativo: α = −0,92 ± 0,16 ± 0,22.
Estos valores no solo refuerzan la hipótesis de espín-paridad 3/2+, sino que además respaldan la validez del mecanismo de factorización en desintegraciones permitidas por el color, un elemento clave en el marco teórico de la QCD.
Según los autores, “este es el primer estudio de la violación de paridad en la transición de un barión Ξb a un barión Ξc y un mesón pseudoescalar”.
Por qué es un avance importante
El hallazgo no es solo un paso técnico más: representa un avance experimental sin precedentes en la caracterización de bariones con quark encantado. Hasta ahora, muchos de estos bariones habían sido observados, pero no descritos completamente.
Saber su espín-paridad permite refinar el mapa de estados posibles en el espectro de bariones, una herramienta esencial para la física de partículas.
Este trabajo, además, descarta hipótesis alternativas como la de estados moleculares o configuraciones con otros valores de espín-paridad. Según el análisis, los modelos con espín-paridad 1/2⁻, 3/2⁻ o 5/2⁻ quedan excluidos con alta significancia estadística.
En el futuro, la misma metodología podrá aplicarse a otros estados aún no identificados, completando así la espectroscopía de los bariones pesados.
La combinación de grandes volúmenes de datos, simulaciones avanzadas y análisis de amplitud está demostrando ser clave para resolver los rompecabezas de la física cuántica.
