LHCb observa dos nuevas partículas bariónicas

La colaboración del experimento LHCb del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN anunció hoy el descubrimiento de dos nuevas partículas de la familia bariónica, las formadas por quarks. Las partículas, conocidas como Xi_b’- y Xi_b*-, fueron predichas por el modelo de quarks, pero no habían sido vistas hasta ahora. Una partícula similar, Xi_b*0, fue encontrada en 2012 por el experimento CMS. La colaboración LHCb ha enviado un artículo informando del hallazgo a la revista Physical Review Letters.

Al igual que los protones que acelera el LHC, las nuevas partículas son bariones hechos de tres quarks y unidos por la fuerza nuclear fuerte (una de las cuatro interacciones fundamentales en la naturaleza). Sin embargo, los tipos de quarks son diferentes: las nuevas partículas Xib contienen ambas un quark belleza (b), un extraño (s) y uno abajo (d), mientras que el protón está formado por dos quarks arriba (u) y un abajo (d). Debido a la masa de los quarks b, estas partículas son seis veces más masivas que un protón.

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Sin embargo, las partículas son más que la suma de sus partes: su masa depende también de cómo están configuradas. Cada uno de los quarks tiene una propiedad llamada espín. En el estado Xi_b’-, los espines de los dos quarks más ligeros apuntan en direcciones opuestas, mientras que en el estado Xi_b*- están alineados. Esta diferencia hace un poco más pesada a la partícula Xi_b*-.

“La naturaleza ha sido generosa y nos ha dado dos partículas por el precio de una”, dijo Matthew Charles, del laboratorio LPNHE del CNRS, en la Universidad París VI. “El Xi_b’- tiene una masa cercana a la suma de sus productos de desintegración: si fuese un poco más ligero, no habríamos visto nada”.

Comprobar la QCD

“Es un resultado emocionante. Gracias a la excelente capacidad de identificación de hadrones del LHCb, único entre los experimentos del LHC, hemos sido capaces de identificar una señal muy clara sobre el fondo”, dijo Steven Blusk, de la Universidad de Siracusa (EE.UU.). “Esto demuestra, una vez más, la sensibilidad y la precisión del detector LHCb”.

Además de las masas de estas partículas, el equipo de investigación estudió sus tasas de producción y las anchuras de su desintegración (una medida de su estabilidad), entre otros detalles. Los resultados encajan con las predicciones de la Cromodinámica Cuántica (QCD), parte del Modelo Estándar de Física de Partículas, la teoría que describe las partículas elementales y sus interacciones. Comprobar la QCD con gran precisión es clave para mejorar nuestro entendimiento de la dinámica de quarks, modelos que son muy difíciles de calcular.

“Si queremos encontrar nueva física más allá del Modelo Estándar, necesitamos primero una imagen precisa”, dijo el coordinador de Física del LHCb Patrick Koppenburg, de Nikhef (Holanda). “Estos estudios de alta precisión nos ayudan a diferenciar entre efectos del Modelo Estándar y cualquier otra cosa nueva o inesperada en el futuro”.

Las medidas fueron realizadas con los datos tomados en el LHC durante 2011-2012. El LHC está siendo preparado tras su primer parón largo, para operar a energías mayores y con haces más intensos. Está previsto que comience a funcionar de nuevo en primavera de 2015.

Participación española en LHCb

La colaboración LHCb está formada por 670 científicos y 250 técnicos e ingenieros de 65 instituciones representando a 16 países, entre ellos España. En nuestro país participan la Universidad de Santiago de Compostela (USC), la Universidad de Barcelona (UB), la Universidad Ramón Llull (URL), y recientemente se ha incorporado el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV).

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http://www.i-cpan.es

Enlaces:

LHCb experiment observes two new baryon particles never seen before

Geneva, 19 November 2014. Today the collaboration for the LHCb experiment at CERN1’s Large Hadron Collider announced the discovery of two new particles in the baryon family. The particles, known as the Xi_b’ and Xi_b*, were predicted to exist by the quark model but had never been seen before. A related particle, the Xi_b*0, was found by the CMS experiment at CERN in 2012. The LHCb collaboration submitted a paper reporting the finding to Physical Review Letters.

Like the well-known protons that the LHC accelerates, the new particles are baryons made from three quarks bound together by the strong force. The types of quarks are different, though: the new X_ib particles both contain one beauty (b), one strange (s), and one down (d) quark. Thanks to the heavyweight b quarks, they are more than six times as massive as the proton. But the particles are more than just the sum of their parts: their mass also depends on how they are configured. Each of the quarks has an attribute called “spin”. In the Xi_b’- state, the spins of the two lighter quarks point in the opposite direction to the b quark, whereas in the Xi_b*- state they are aligned. This difference makes the Xi_b*a little heavier.

“Nature was kind and gave us two particles for the price of one,” said Matthew Charles of the CNRS’s LPNHE laboratory at Paris VI University. “The Xi_b’is very close in mass to the sum of its decay products: if it had been just a little lighter, we wouldn’t have seen it at all using the decay signature that we were looking for.”

“This is a very exciting result. Thanks to LHCb’s excellent hadron identification, which is unique among the LHC experiments, we were able to separate a very clean and strong signal from the background,” said Steven Blusk from Syracuse University in New York. “It demonstrates once again the sensitivity and how precise the LHCb detector is.”

As well as the masses of these particles, the research team studied their relative production rates, their widths – a measure of how unstable they are – and other details of their decays. The results match up with predictions based on the theory of Quantum Chromodynamics (QCD).

QCD is part of the Standard Model of particle physics, the theory that describes the fundamental particles of matter, how they interact and the forces between them. Testing QCD at high precision is a key to refine our understanding of quark dynamics, models of which are tremendously difficult to calculate.

“If we want to find new physics beyond the Standard Model, we need first to have a sharp picture,” said LHCb’s physics coordinator Patrick Koppenburg from Nikhef Institute in Amsterdam. “Such high precision studies will help us to differentiate between Standard Model effects and anything new or unexpected in the future.”

The measurements were made with the data taken at the LHC during 2011-2012. The LHC is currently being prepared – after its first long shutdown – to operate at higher energies and with more intense beams. It is scheduled to restart by spring 2015.

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Caption diagram : The mass difference spectrum: the LHCb result shows strong evidence of the existence of two new particles the Xi_b’- (first peak) and Xi_b*- (second peak), with the very high-level confidence of 10 sigma. The black points are the signal sample and the hatched red histogram is a control sample. The blue curve represents a model including the two new particles, fitted to the data. Delta_m is the difference between the mass of the Xi_b0 pi- pair and the sum of the individual masses of the Xi_b0 and pi-.. INSET: Detail of the Xi_b’- region plotted with a finer binning.

http://press.web.cern.ch/press-releases/2014/11/lhcb-experiment-observes-two-new-baryon-particles-never-seen

Link to the paper on Arxiv: http://arxiv.org/abs/1411.4849 (link is external)
More about the result on LHCb’s collaboration website: http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/Welcome.html#StrBeaBa
Observation of a new Xi_b*0 beauty particle, on CMS’ collaboration website: http://cms.web.cern.ch/news/observation-new-xib0-beauty-particle

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