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 ultradensas.

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), una exótica pero esquiva resonancia Lambda. Anteriormente, se creía que era una combinación específica de tres quarks (arriba, abajo y extraño) y obtener información sobre su composición podría ayudar a descubrir información sobre la materia extremadamente densa en las estrellas de neutrones.

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

Ilustración esquemática de la reacción utilizada para sintetizar Λ(1405) mediante la fusión de un K- (círculo verde) con un protón (círculo azul oscuro), que tiene lugar dentro de un núcleo de deuterio. Crédito: Hiroyuki Noumi

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 considera mejor como un estado límite temporal de K^– mesón y el protón, en oposición a un estado excitado de tres quarks.

En un estudio publicado recientemente en Letras de física B, el grupo describe el 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. En una reacción exitosa, una K^– El mesón expulsó al neutrón y luego se fusionó con el protón para producir el deseado Λ(1405). “La formación de un estado ligado de un K^– mesón y un protón solo fue posible porque el neutrón llevaba parte de la energía”, dice uno de los autores del estudio, Kentaro Inoue.

El exótico barión llamado Λ(1405) y una ilustración esquemática de la evolución de la materia. Crédito: Hiroyuki Noumi

Uno de los aspectos que ha desconcertado a los científicos sobre Λ(1405) es su masa total muy ligera, a pesar de que contiene un quark extraño, que es casi 40 veces más pesado que un quark up. 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 el K- y la energía de retroceso de la colisión de protones convertida en un valor de masa. Grandes eventos de reacción ocurren a valores de masa más pequeños que la suma de las masas del K y el protón, lo que sugiere la existencia de Λ(1405). Los datos medidos se reprodujeron mediante teoría de dispersión (líneas continuas). (Inferior) Distribución K^– y amplitudes de dispersión de protones. Cuando se elevan al cuadrado, corresponden a la sección transversal de la reacción y generalmente son números complejos. Los valores calculados corresponden a los datos medidos. Cuando la parte real (línea continua) cruza 0, el valor de la parte imaginaria alcanza su valor máximo. Esta es una distribución típica para un estado de resonancia y determina la masa compleja. Las flechas indican la parte real. Crédito: 2023, Hiroyuki Noumi, Posición polar de Λ(1405) medida en d(K^–,n) reacciones πΣ, Letras de física B

“Esperamos que el progreso en este tipo de investigación pueda conducir a una descripción más precisa de la materia de ultra alta densidad que existe en el núcleo de un objeto.[{» 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.