CERN descubre una nueva partícula subatómica similar al protón

Investigadores de la Universidad de Manchester desempeñaron un papel crucial en la identificación de una partícula subatómica desconocida en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. Esta partícula, denominada Ξ_cc⁺ (Xi-cc-plus), es un pesado pariente del protón, compuesto por dos quarks de encanto y un quark de tipo down.

Este hallazgo marcó la primera vez que se descubrió una partícula utilizando el detector LHCb mejorado. Esta actualización es parte de un esfuerzo internacional que involucra a más de 1,000 investigadores de 20 países. El Reino Unido, y en particular Manchester, aportó más que ninguna otra nación, liderando significativamente el proyecto.

Un pariente más pesado del protón

La partícula Ξ_cc⁺ pertenece a la misma familia que el protón, que fue identificado por primera vez en Manchester por Ernest Rutherford y sus colegas entre 1917 y 1919. Mientras que un protón contiene dos quarks up y un quark down, la Ξ_cc⁺ reemplaza los quarks up por quarks de encanto más pesados.

Este descubrimiento se basa en una larga historia de investigación en física de partículas en Manchester. En la década de 1950, los científicos de la universidad fueron los primeros en identificar un miembro de la familia de partículas Ξ (Xi), estableciendo las bases para hallazgos como este.

El papel de Manchester en la mejora del detector LHCb

El profesor Chris Parkes, jefe del Departamento de Física y Astronomía de la universidad, lideró la colaboración internacional durante la instalación y operación inicial del detector LHCb mejorado. Supervisó la participación del Reino Unido en el proyecto durante más de diez años, guiándolo desde su aprobación inicial hasta su finalización.

El equipo de Manchester diseñó y construyó partes esenciales del sistema de seguimiento mejorado, incluidos módulos de detectores de píxeles de silicio ensamblados en el Edificio Schuster de la universidad. Estos componentes son críticos para rastrear con precisión las desintegraciones de partículas e identificar señales como la Ξ_cc⁺.

El profesor Parkes comentó: "El experimento de la lámina de oro de Rutherford en un sótano de Manchester transformó nuestra comprensión de la materia, y el descubrimiento de hoy se basa en ese legado utilizando tecnología de vanguardia en el CERN. Ambos hitos demuestran hasta dónde puede llevarnos la investigación impulsada por la curiosidad. Este descubrimiento muestra la extraordinaria capacidad del detector LHCb mejorado y la fortaleza de las contribuciones del Reino Unido y Manchester al experimento."

Detector avanzado captura colisiones de partículas

El Dr. Stefano De Capua de la Universidad de Manchester lideró la producción de los módulos del detector de silicio. Describió el detector como una especie de cámara de alta velocidad.

"El detector es una forma de 'cámara' que toma imágenes de las partículas producidas en el LHC y captura fotografías 40 millones de veces por segundo. Utiliza un chip de silicio diseñado a medida que también tiene una variante para aplicaciones de imagen médica."

Cómo se identificó la partícula Ξ_cc⁺

Los investigadores detectaron la Ξ_cc⁺ observando cómo se desintegra en tres partículas más ligeras (Λ_c⁺ K⁻ π⁺). Estos eventos de desintegración fueron registrados durante colisiones de protones en el LHC en 2024, el primer año en que el experimento LHCb mejorado funcionó a plena capacidad.

Se midió una señal clara de aproximadamente 915 eventos con una masa de 3619.97 MeV/c². Este resultado coincide con predicciones basadas en una partícula relacionada previamente descubierta, la Ξ_cc⁺⁺.

Resolviendo un misterio de dos décadas en la física de partículas

Durante más de 20 años, los científicos debatieron afirmaciones anteriores de que esta partícula había sido observada, pero esos hallazgos nunca fueron confirmados. La nueva medición de LHCb sitúa la partícula en una masa que no coincide con la afirmación anterior, pero sí concuerda con las expectativas teóricas basadas en su partícula compañera.

Qué viene a continuación para el CERN y Manchester

De cara al futuro, la Universidad de Manchester continuará desempeñando un papel de liderazgo en la próxima fase del programa del LHC, conocida como LHCb Upgrade 2. Esta mejora aprovechará el acelerador de alta luminosidad del LHC para recopilar más datos y explorar partículas raras con mayor detalle.

Los detalles del descubrimiento de la Ξ_cc⁺ se presentaron en la conferencia Rencontres de Moriond Electroweak.

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