Pentaquark (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Pentaquark

Un pentaquark es una partícula subatómica compuesta por cinco quarks elementales, en la forma:

Es decir, cuatro quarks y un antiquark.

Son hadrónes exóticos, porque no encajan en las categorías clásicas de:

• Mesones: (q + q̄)
• Bariones: (q + q + q)

El pentaquark, en cambio, es una extensión natural de la QCD, siempre que el sistema total sea neutro en color.

Estructura cuántica y de color:

Para que el pentaquark sea un hadrón estable (en el sentido de confinamiento), su combinación de colores debe dar un singlete de color (blanco).

Esto puede lograrse de varias maneras, las más comunes son:

Tipo 1: Estado barión + mesón (molécula hadrónica)

El sistema se comporta como una molécula débilmente ligada entre un barión y un mesón (por ejemplo, un protón y un J/ψ).

Este modelo explica varios de los estados pentaquark observados experimentalmente.

Tipo 2: Estado compacto de diquarks

Aquí, los cuatro quarks forman dos diquarks fuertemente acoplados, que a su vez se combinan con un antiquark.

El resultado es un sistema compacto, más similar a un hadrón tradicional, pero con estructura interna exótica.

Propiedades cuánticas generales:

Descubrimiento experimental:

La existencia del pentaquark fue predicha teóricamente desde los años 1960 (por Gell-Mann y Zweig), pero no se observó con certeza hasta 2015, cuando el experimento LHCb del CERN detectó señales claras.

Estos pentaquarks contienen un par charm-anticharm ((ccˉ)), además de tres quarks ligeros (u, d, s), lo que los hace análogos a una molécula barión–mesón como:

Representación en el modelo de color:

En términos del grupo de color SU(3)_c, la combinación de quarks es más compleja que en mesones o bariones.

Se busca que:

Es decir, todas las representaciones de color se combinan para dar finalmente un singlete (color blanco).

Este proceso puede pasar por subcombinaciones intermedias como , lo que explica los posibles acoplamientos diquark-antidiquark internos.

Ejemplos experimentales:

Estos estados fueron observados en los canales de desintegración de Λ_b → J/ψ p K⁻, analizando las distribuciones de masa invariante.

Interpretaciones teóricas:

Existen dos grandes interpretaciones de la estructura del pentaquark:

Modelo molecular

El pentaquark es una molécula barión–mesón, unida débilmente por fuerzas residuales hadrónicas.

Ejemplo:

Análogo a una molécula de dos hadrones ligados por QCD.

Modelo compacto

El pentaquark es una entidad única, con una estructura interna de dos diquarks y un antiquark:

Este modelo implica una fuerte correlación de color entre los diquarks y el antiquark.