Detectan en el CERN una nueva partícula que solo existe una fracción de segundo

La colaboración internacional que lleva a cabo el experimento ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN anunció a principios de julio la detección del toponium, un nuevo estado cuántico formado por las partículas elementales más pesadas conocidas: los quark top.

Esta unión, calificada en física como un estado cuasi ligado –una conexión inestable y pasajera entre partículas que acaba desintegrándose–, se había considerado durante décadas como prácticamente imposible de identificar. Sin embargo, el experimento ATLAS ha confirmado la observación previa realizada por el CMS, otro de los grandes proyectos científicos que opera en el LHC.

Un equipo del Instituto de Física Corpuscular (IFIC), centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de Valencia (UV), ha tenido una participación destacada en esta observación. En concreto, el investigador del CSIC Marcel Vos ha colaborado en el proceso de revisión del hallazgo y coordina el LHC Top Working Group, responsable de todos los resultados relacionados con el quark top en el acelerador.

El quark top, a diferencia de otros quarks que pueden formar partículas compuestas como los protones, se desintegra de forma casi inmediata, lo que impide que genere estructuras estables. Un estado ligado implica precisamente una configuración en la que varias partículas permanecen unidas, confinadas en una región del espacio. En el caso del toponium, sin embargo, la unión del quark top y su antipartícula constituye un estado cuasi ligado, de vida extremadamente corta y carácter inestable.

La mecánica cuántica contempla que, en condiciones excepcionales, un quark top y un antiquark top puedan sobrevivir el tiempo justo para interactuar brevemente, dando lugar al toponium. Esta posibilidad parecía lejana en el LHC, donde se recrean las condiciones del universo primitivo haciendo chocar protones a velocidades cercanas a la luz. Sin embargo, el análisis de los datos recogidos entre 2015 y 2018 por ATLAS reveló un exceso de pares top-antitop que coincide con lo observado previamente por CMS entre 2016 y 2018, lo que refuerza la hipótesis de la formación del toponium.

«Desde la detección del quark top en 1995, la producción y propiedades de esta partícula y su antipartícula se han estudiado con mucho detalle», explica Marcel Vos. A su juicio, «durante años se creía que un estado ligado como el toponium sería indetectable, puesto que los efectos de esta unión eran demasiado sutiles. Pero los análisis de ATLAS y CMS demuestran que el LHC ha sido capaz de detectar esta efímera unión entre un quark top y un antiquark top, lo que resultaría en este nuevo estado cuasi ligado que ya se predijo en 1990, incluso antes del descubrimiento del quark top».

Pese a la evidencia observacional, los científicos aún no descartan la existencia de una nueva partícula de masa similar al doble del quark top. Este hallazgo abre nuevas vías de investigación en el marco del Modelo Estándar, la teoría que describe las partículas fundamentales del universo.