Investigadores sintetizan misterioso barión exótico

Por primera vez, los investigadores han sintetizado con éxito una resonancia Lambda exótica, pero de muy corta duración, conocida como Λ(1405).

Los científicos de la Universidad de Osaka formaron parte de un experimento con un acelerador de partículas que produjo una partícula exótica y altamente inestable y determinó su masa. Esto podría contribuir a una mejor comprensión del funcionamiento interno de las estrellas de neutrones superdensas.

El modelo estándar de física de partículas explica que la mayoría de las partículas están formadas por combinaciones de solo seis tipos de entidades básicas llamadas quarks. Sin embargo, todavía hay muchos misterios sin resolver, uno de los cuales es Λ(1405), la exótica pero transitoria resonancia Lambda. Anteriormente se pensaba que era una combinación especial de tres quarks: arriba, abajo y extraño, y comprender su composición podría ayudar a revelar información sobre la materia extremadamente densa de las estrellas de neutrones.

Ahora, los investigadores de la Universidad de Osaka formaron parte de un equipo que pudo sintetizar Λ(1405) por primera vez combinando K^– mesón y protón y determinar su masa compleja (masa y ancho). K:^– Un mesón es una partícula cargada negativamente que contiene un quark extraño y un antiquark.

Ilustración esquemática de la reacción utilizada para sintetizar Λ(1405) mediante la fusión de K- (círculo verde) con un protón (círculo azul oscuro) que se produce dentro de un núcleo de deuterón. Crédito: Hiroyuki Numi

El protón mucho más familiar, que constituye la materia a la que estamos acostumbrados, tiene dos quarks up y un quark down. Los investigadores demostraron que Λ(1405) se ve mejor como un estado de K limitado temporalmente.^– mesón y protón en oposición a un estado excitado de tres quarks.

En un estudio publicado recientemente Letras de física B, el grupo describe un experimento que realizaron en el acelerador J-PARC. K:^– Se dispararon mesones contra un objetivo de deuterio, cada uno de los cuales tenía un protón y un neutrón. Respuesta exitosa K^– El mesón expulsó el neutrón y luego se fusionó con el protón para producir el Λ(1405) deseado. “Formación del estado ligado de K^– El mesón y el protón solo fueron posibles porque el neutrón se llevó parte de la energía”, dice Kentaro Inoue, autor del estudio.

Un barión exótico llamado L(1405) y una ilustración esquemática de la evolución de la materia. Crédito: Hiroyuki Numi

Un aspecto que desconcertó a los científicos acerca de Λ(1405) fue su masa general muy ligera, a pesar de que contiene un extraño quark que es casi 40 veces más pesado que el quark top. Durante el experimento, el equipo de investigación pudo medir con éxito la masa compleja de Λ(1405) al observar el comportamiento de los productos de descomposición.

(Arriba) Sección transversal de reacción medida. El eje horizontal es la energía de retroceso de la colisión entre K y el protón, convertida a un valor de masa. Los principales eventos de reacción ocurren en valores de masa por debajo de la suma de K y masas de protones, lo que en sí mismo sugiere la existencia de Λ(1405). Los datos medidos se reprodujeron utilizando la teoría de dispersión (líneas continuas). (abajo) Distribución de K^– y amplitudes de dispersión de protones. En el caso de un cuadrado, corresponden a la sección transversal de la reacción y generalmente son números complejos. Los valores calculados concuerdan con los datos medidos. Cuando la parte real (línea continua) cruza 0, el valor de la parte imaginaria alcanza su valor máximo. Esta es la distribución característica del estado de resonancia y determina la masa compleja. Las flechas indican la parte real. Crédito: 2023, Hiroyuki Numi, Pole position de Λ(1405) medida en d(K)^–n) reacciones πΣ, Letras de física B

«Esperamos que los avances en este tipo de investigación puedan conducir a una descripción más precisa de la materia de ultra alta densidad que existe en el núcleo de la materia.[{» attribute=»»>neutron star,” says Shingo Kawasaki, another study author. This work implies that Λ(1405) is an unusual state consisting of four quarks and one antiquark, making a total of 5 quarks, and does not fit the conventional classification in which particles have either three quarks or one quark and one antiquark.

This research may lead to a better understanding of the early formation of the Universe, shortly after the Big Bang, as well as what happens when matter is subject to pressures and densities well beyond what we see under normal conditions.

Reference: “Pole position of Λ(1405) measured in d(K−,n)πΣ reactions” by S. Aikawa, S. Ajimura, T. Akaishi, H. Asano, G. Beer, C. Berucci, M. Bragadireanu, P. Buehler, L. Busso, M. Cargnelli, S. Choi, C. Curceanu, S. Enomoto, H. Fujioka, Y. Fujiwara, T. Fukuda, C. Guaraldo, T. Hashimoto, R.S. Hayano, T. Hiraiwa, M. Iio, M. Iliescu, K. Inoue, Y. Ishiguro, S. Ishimoto, T. Ishikawa, K. Itahashi, M. Iwai, M. Iwasaki, K. Kanno, K. Kato, Y. Kato, S. Kawasaki, P. Kienle, Y. Komatsu, H. Kou, Y. Ma, J. Marton, Y. Matsuda, Y. Mizoi, O. Morra, R. Murayama, T. Nagae, H. Noumi, H. Ohnishi, S. Okada, Z. Omar, H. Outa, K. Piscicchia, Y. Sada, A. Sakaguchi, F. Sakuma, M. Sato, A. Scordo, M. Sekimoto, H. Shi, K. Shirotori, D. Sirghi, F. Sirghi, K. Suzuki, S. Suzuki, T. Suzuki, K. Tanida, H. Tatsuno, A.O. Tokiyasu, M. Tokuda, D. Tomono, A. Toyoda, K. Tsukada, O. Vazquez-Doce, E. Widmann, T. Yamaga, T. Yamazaki, H. Yim, Q. Zhang and J. Zmeskal, 20 December 2022, Physics Letters B.
DOI: 10.1016/j.physletb.2022.137637

The study was funded by the Japan Society for the Promotion of Science, Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology.