Confirman las propiedades de una partícula descritas por investigadores de la USAL

Cuando en 1928 el físico inglés Paul Dirac predijo la existencia de una partícula llamada positrón, que fue descubierta posteriormente en 1932 por el norteamericano Carl David Anderson, muchos lo tomaron por loco y por supuesto nadie pensaba que este hallazgo daría lugar a una técnica de imagen médica, la tomografía por emisión de positrones, fundamental en la actualidad para el diagnóstico e investigación 'in vivo' en instalaciones hospitalarias.

En menos de cien años se le ha encontrado una aplicación y aunque "nosotros no somos Dirac ni todas las partículas son positrón", como señala humildemente el catedrático de Física de la Universidad de Salamanca, Francisco Fernández González, "la ciencia avanza así, con el trabajo de muchos investigadores y de mucho tiempo, y al final alguna de esas partículas que se descubren se pueden aplicar, no sabemos ni cómo ni cuándo, pero no podemos renunciar a seguir investigando".

Detrás de esta filosofía se esconde, precisamente, el pionero descubrimiento a nivel internacional del grupo de investigación de Francisco Fernández González, al haber descrito por primera vez hace cuatro años las características de la partícula fundamental Λc(2940). Predicciones que han sido confirmadas ahora en un experimento a escala mundial en el acelerador más grande y energético de la tierra, el LHC (Gran Colisionador de Hadrones, en inglés Large Hadron Collider), ubicado en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), según informó el catedrático a Comunicación Universidad de Salamanca.

Fue en el año 2013 cuando los investigadores del Instituto de Física Fundamental y Matemáticas de la USAL (IUFFyM) Pablo García Ortega, David Rodríguez Entem y el propio Francisco Fernández González realizaron un profundo estudio de la ΛC(2940) llegando a la conclusión de que podía describirse como una molécula meson-barion (es decir de 5 quarks) y determinaron sus propiedades, en particular las que se conocen como spín y paridad, que resultaron ser J=3/2 y paridad negativa. Entonces, el estudio ya fue publicado en la revista PhysicsLetters B (nº 718 pág. 1381).

Desde la puesta en funcionamiento del LHC, el mayor instrumento científico del mundo donde se descubrió el bosón de Higgs en el año 2012, uno de los detectores instalados en él, el llamado LHCb, se ha dedicado a estudiar las propiedades de las partículas semejantes a la ΛC(2940).

En mayo de este año, el experimento mundial realizado en el LHCb fue publicado en la prestigiosa revista High EnergyPhysics (nº 1705 pág. 30) y, en él, por primera vez se medía el spín y la paridad de esta partícula, obteniendo el valor 3/2 para el spin y una paridad negativa, tal como había establecido el equipo de la Universidad de Salamanca cuyo trabajo ha sido referenciado como el primero que hizo tal predicción.

Explicación y origen del hallazgo

Para llegar hasta aquí, hubo un punto de inflexión en el abordaje de la clasificación de las partículas elementales, esos mínimos constituyentes de la materia a los que este grupo de USAL lleva dedicándose durante décadas.

Tal y como explica el catedrático, si se realiza un recorrido por la naturaleza explorándola a escalas cada vez más pequeñas nos encontraremos con las moléculas, los átomos, los electrones, los protones y los neutrones, que forman el núcleo de los átomos, y finalmente, los quarks, que son las partículas que forman los protones y los neutrones. Hasta ahora no se ha dispuesto de instrumentos (aceleradores de partículas con suficiente energía) como para avanzar a escalas más pequeñas. Los quarks aparecen siempre en la naturaleza como combinaciones de dos o tres unidades dando lugar a los mesones o a los bariones, mientras que los leptones están libres. Mesones y bariones, conjuntamente, reciben el nombre de Hadrones.

La composición de los hadrones permite establecer una clasificación de los mismos dependiendo de los tipos de quarks que los forman y otras propiedades, como son su masa, su spín, su carga o su paridad. De esta forma se obtiene una especie de tabla periódica para las partículas elementales que se denomina modelo quark de las partículas elementales, similar a la que utilizamos en química con la tabla de Mendeléyev.

A partir del año 2003 empezaron a aparecer resultados experimentales que no concordaban con esa clasificación. Entre ellas, se observó en el año 2007, en el detector BaBar situado en el Laboratorio Nacional de Aceleradores de Stanford (California) y en el Belle japonés, que la partícula denominada ΛC(2940) no podía ser identificada con ninguna de la clasificación anterior.

"En las partículas elementales tenemos pocas propiedades y nosotros predecimos dos de ellas, gracias al trabajo de la tesis de Pablo García", aclara el catedrático. Por su parte, el joven investigador añade que "hay dos tipos de partículas sencillas, que son mesones y bariones, con pocos quarks, que es lo que más o menos se describe en la naturaleza. Y yo fui un poco más allá y empecé a ver cómo interaccionaban esas elementales entre sí, y ver cómo podían formar otras, en este caso esta nueva ΛC(2940) que es una partícula compuesta por otras dos más simples".

Modelo propio de la USAL desde 1985

El grupo de investigación de 'Física hadrónica, interacciones fundamentales y física nuclear' de la USAL desarrolló su propio modelo hace más de treinta años, "y es el que nos ha permitido confirmar nuestras hipótesis acerca de las partículas fundamentales", añade Francisco Fernández, porque, como él bien explica, "para comprender la realidad, puedes hacer dos cosas: tiene unas ecuaciones maravillosas y las resuelves o, como normalmente no se tienen o no se saben resolver, pues nos imaginamos cómo es la partícula, le aplicamos el modelo y trabajamos hasta llegar a ellas", añade Francisco Fernández.

Así, desde que en 2013 definieran las propiedades de ΛC(2940), este grupo estable, con financiación competitiva del Ministerio de Economía, Industria y Competitividad (Mineco) desde su creación y asegurada ya hasta 2020, ha seguido trabajando con nuevas partículas que han ido apareciendo y ya tienen en proceso de publicación una nueva investigación que pretende aclarar la controversia mundial acerca de la identidad de seis nuevas partículas que aparecen en una región de la energía y que muestran una identidad dispar. "Nosotros hemos aportado nuestro granito de arena a esta discusión y hemos clasificado las seis según su espín en un estudio que próximamente será publicado", aclara el catedrático.

Sin duda una ardua tarea que va arrojando luz sobre la composición de una naturaleza que, como indica este reconocido físico, "está muy bien establecida y no vamos a cambiarla, sólo podemos mirar a escalas cada vez más pequeñas, y la única opción es mirar con más energía, aquella que quizá se formó al principio del universo y que ahora ya no tenemos. Por eso es tan importante contar con nuevos aceleradores de partículas en el futuro".

Conferencia Internacional de Física de Hadrones (HADRON 2017)

Con este objetivo, durante los últimos treinta años este grupo de investigadores de la Universidad de Salamanca lleva trabajando en mejorar su modelo de interacción entre quarks y ya ha publicado más de 150 artículos sobre la fenomenología de los hadrones.

Fruto del reconocimiento internacional de sus actividades en el campo de la física de hadrones, ha sido el encargo de organizar en Salamanca la decimoséptima Conferencia Internacional de Física de Hadrones (HADRON 2017) que tendrá lugar a finales de septiembre de este año.

Esta conferencia reúne a los más destacados especialistas en este campo y se realiza cada dos años. "La última fue en Virginia (USA), nosotros estábamos allí, presentamos la candidatura y se aceptó, es un reconocimiento a todo el trabajo de décadas", asegura el catedrático.

La conferencia contara con 22 charlas invitadas y más de 200 contribuciones orales, reuniendo cerca de 250 congresistas, llegados de todos los continentes. Dentro de las actividades de la misma está previsto la realización de una PublicSession que versará sobre la hadronterapia. Aunque éste no es el tema general de la conferencia, se pretende dar una idea al público en general de cómo el desarrollo de la investigación básica puede redundar en un beneficio para la sociedad.

Frente a la radioterapia convencional de rayos X que va depositando la energía en el tejido continuamente hasta llegar al tumor, en la hadronterapia, los protones al principio depositan muy poca energía y la mayor descarga la hacen al final, evitando así el daño en las partes sanas del organismo.

"Será la técnica del futuro, sobre todo para zonas sensibles. Por ejemplo, en tumores de los ojos o aquellos situados cerca de órganos que no quieras radiar mucho, como la médula. Todavía hay pocas clínicas en el mundo donde se lleve a cabo esta técnica, pero se generalizará", concluye el catedrático de la USAL.

Para llegar hasta aquí, hubo una vez que se descubrió una partícula, y no sólo eso, hubo que desarrollar toda una tecnología para trabajar en regiones de energía de estas partículas tan pequeñas.