el quark top actúa de forma inesperada y desconcierta a la comunidad científica

Una partícula aparece, vive una fracción ínfima de segundo y desaparece. Eso fue lo que ocurrió en uno de los experimentos más potentes de la física actual. Pero esta vez, algo no encajó. En medio de un mar de datos recogidos por los detectores del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), los investigadores del experimento CMS observaron algo que no esperaban: un exceso de pares de quarks top que desafía lo que creíamos saber sobre el comportamiento de estas partículas elementales.

El hallazgo, descrito en un artículo publicado por la colaboración CMS, ha sacudido el entorno de la física de partículas. Lo que parecía una búsqueda rutinaria de señales de nuevos bosones terminó en una observación desconcertante. Como explican los autores, el análisis revela un exceso de eventos en la región del umbral de producción de pares de quarks top, algo que, si se confirma, puede estar indicando la existencia de una nueva forma de materia subatómica: el «toponio» (toponium en inglés).

El quark top, una partícula con fama de inalcanzable

En el zoológico de partículas del Modelo Estándar, el quark top es el más masivo y fugaz. Su vida media es tan breve que ni siquiera llega a formar parte de los núcleos atómicos. Decae casi instantáneamente tras su creación, en menos tiempo del que la luz tarda en recorrer una milésima de una milmillonésima de milímetro.

Eso convierte al quark top en un candidato difícil de estudiar y, a la vez, en una fuente muy valiosa de información. Gracias a su masa, es altamente sensible a nuevas interacciones, lo que lo convierte en una especie de radar para detectar fenómenos más allá del Modelo Estándar. Según el equipo del CMS, la masa del quark top lo hace especialmente sensible a los efectos de física nueva.

Por esta razón, los experimentos del LHC, como CMS y ATLAS, dedican buena parte de sus recursos a observar cómo se crean, se comportan y se desintegran los quarks top. Lo que encontraron en esta ocasión, sin embargo, fue más de lo que esperaban.

El exceso inesperado que abrió una puerta nueva

Durante el análisis de datos recopilados entre 2016 y 2018, los científicos buscaban posibles señales de nuevos bosones similares al Higgs. Estas partículas adicionales son una predicción común en teorías que extienden el Modelo Estándar. Se esperaba que, si existían, pudieran descomponerse en pares de quarks top.

Pero lo que llamó la atención no fue solo la cantidad, sino el lugar en el que aparecían esos pares. Tal como señalan los autores, el exceso de producción de pares top-antitop se encuentra justo en el umbral de energía para su creación. Esta coincidencia energética sugiere que no estamos ante una desintegración común de un bosón, sino quizás ante la aparición de una nueva forma de estado ligado: el toponio.

Este resultado sorprendió a los físicos, porque el toponio —una unión efímera de un quark top con su antipartícula— se consideraba teóricamente posible pero prácticamente indetectable. El quark top decae tan rápido que no se esperaba que tuviera tiempo suficiente para formar una unión significativa. Sin embargo, los nuevos datos están obligando a revisar esa suposición.

¿Qué es el «toponio» y por qué sería un hallazgo tan importante?

El término quarkonio (quarkonium) se refiere a un sistema formado por un quark y su antiquark, unidos brevemente por la interacción fuerte. Existen ejemplos conocidos: el charmonio (formado por quarks charm) y el bottomonio (con quarks bottom). Ambos fueron descubiertos en los años 70 y supusieron grandes avances para la física.

El toponio sería el siguiente paso en esa serie. Pero hay un problema: a diferencia de los quarks charm y bottom, el quark top no tiene tiempo de formar un estado ligado antes de desintegrarse. Por eso, muchos pensaban que un estado como el toponio sería teóricamente interesante pero imposible de observar.

El equipo del CMS, sin embargo, ofrece una estimación concreta: “La sección eficaz obtenida para una hipótesis simplificada de producción de toponio es de 8,8 picobarns con una incertidumbre del 15 %”. Esta cifra, según los criterios de la física de partículas, supera el umbral estadístico necesario para considerarse una observación válida, y no una simple fluctuación.

Además, el toponio sería algo nunca visto: el hadrón más pequeño jamás detectado. Su tamaño, calculan los autores, podría ser incluso menor al del bottomonio, que mide unas 0,4 femtómetros. Para ponerlo en contexto: un femtómetro es una millonésima parte de una millonésima de milímetro.

Consecuencias para la física y el Modelo Estándar

Si este resultado se confirma, podría tener implicaciones profundas para la física de partículas. No solo ampliaría la familia de los quarkonios, sino que obligaría a ajustar las predicciones de la cromodinámica cuántica, la teoría que describe cómo interactúan los quarks.

Además, el hallazgo alimenta la posibilidad de que haya nuevos bosones o interacciones aún no descubiertos. El exceso de quarks top podría explicarse también por la existencia de nuevas partículas similares al Higgs, pero con propiedades distintas. Los investigadores lo reconocen con cautela: “No pueden descartarse otras explicaciones, como la presencia de un bosón elemental”.

Este tipo de análisis, basado en colisiones de altísima energía, es también una vía indirecta para buscar señales de la materia oscura o de dimensiones adicionales. Aunque este experimento no apunta directamente a ello, la precisión en la observación de anomalías es la herramienta más potente que tienen los físicos para detectar lo que no pueden ver de forma directa.

Por ahora, tanto el experimento CMS como su “hermano” ATLAS están redoblando esfuerzos para verificar el resultado. En ciencia, una observación necesita ser confirmada por datos independientes antes de que pueda considerarse un descubrimiento firme. Mientras tanto, la comunidad internacional observa con atención lo que podría ser un momento clave en la historia de la física moderna.