En marzo de 2024, el experimento CMS del CERN sorprendió al mundo científico con la observación de una entidad esquiva y exótica: el toponium, una forma efímera y extrema de materia. Poco después, otro experimento del mismo centro, ATLAS, confirmó el hallazgo.

¿Por qué este descubrimiento ha sido tan impresionante? ¿Qué tiene de especial el toponium y por qué se consideraba imposible detectarlo?

Toponium, al detalle

El toponium no es una partícula como las que estamos acostumbrados a imaginar. Se trata de una resonancia cuántica, es decir, un estado muy breve y transitorio que aparece cuando se producen un quark “top” y su antipartícula “antitop”.

El toponium tiene tres propiedades que lo hacen absolutamente único. Su tiempo de vida medio es el más pequeño conocido: 2.3 x 10⁻²⁵ segundos. Así escrito, el número puede no impresionar mucho, pero si lo escribimos como 0.00 … tendríamos hasta 24 ceros después del punto decimal. Por lo que más que hablar de partícula, en este caso es más apropiado referirse al toponium como una resonancia.

Además de su vida ultrabreve, el toponium es extraordinariamente masivo, 370 veces más pesado que un protón. Su tamaño también bate récords: se estima en apenas 1.5 x 10⁻¹⁷ metros, unas 60 veces menor que un protón. De forma que hablamos del objeto más pequeño conocido (excluyendo de la lista las partículas elementales que se cree son puntuales, con dimensión cero).

¿Por qué se creía que era imposible de observar?

Para entender el reto, hay que hablar del quark top, ingrediente básico del toponium. Se trata del quark más pesado que se conoce (184 veces más pesado que un protón), descubierto en 1995 en el acelerador Tevatron, situado cerca de Chicago.

Las partículas tan pesadas como este quark sólo pueden producirse en aceleradores de alta energía, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) que opera en el CERN, cerca de Ginebra. Pero su existencia es fugaz. Su tiempo de vida media es tan increíblemente corto (4.6 x 10⁻²⁵ segundos) que no le permite formar estados ligados con otros quarks antes de desintegrarse.

Sin embargo… aquí no acaba la historia.

Una suma infinita

Si en un colisionador como el LHC se produce una pareja de quarks top y antitop con velocidad relativa suficientemente baja, los dos quarks podrían interactuar, intercambiando gluones (partículas mediadoras de la interacción fuerte) durante un brevísimo instante antes de desintegrarse. Precisamente este intercambio da lugar a la formación del toponium.

Los cálculos teóricos para el toponium son extraordinariamente complejos. En física de partículas, la mayoría de las predicciones se obtienen paso a paso, mediante cálculos de dificultad creciente. En el caso del toponium, hay que considerar el intercambio de un gluon, dos gluones, tres gluones, etc.

Pero obtener las propiedades físicas del toponium como estado cuasi-ligado requiere sumar la serie infinita de contribuciones. Esto puede hacerse, con ciertas aproximaciones, cuando la velocidad relativa entre los dos quarks es pequeña. Aun así, los cálculos suponen todo un reto.

La teoría predice que, si se forma toponium en el LHC, aparecerá como una resonancia con masa aproximadamente el doble de la masa del quark top, que no experimenta la interacción fuerte. Su espín es cero, como el del bosón de Higgs, pero tiene paridad negativa. El espín es una propiedad cuántica que clásicamente equivaldría a que una partícula gire sobre sí misma, mientras que la paridad refleja cómo cambia un estado cuántico cuando hacemos una inversión espacial de los ejes de coordenadas.

La ‘foto’ del toponium

La formación de toponium da lugar a efectos extremadamente sutiles, que durante años se consideraron imposibles de detectar en un colisionador como el LHC.

Buscar el toponium es como buscar una aguja en un pajar de millones de parejas top-antitop producidas. Sin embargo, CMS y ATLAS han logrado observar patrones que coinciden con las predicciones teóricas de este estado, con una certeza estadística altísima (más de 5 sigma), lo que en física equivale a una “confirmación oficial”. Una muestra más de cómo el avance experimental supera las expectativas más optimistas.

Curiosamente, el primer indicio de existencia del toponium llegó de forma inesperada a principios de 2024, a través de la medida del entrelazamiento cuántico entre parejas top-antitop. Las características del toponium (espín cero, paridad negativa) hacen que su presencia aumente el entrelazamiento. Y esto es lo que detectó el experimento CMS en dicha medida.

El futuro del toponium

El reciente descubrimiento de una resonancia con propiedades compatibles con el toponium ha supuesto un éxito rotundo para el CERN. Demuestra cómo el ingenio humano es capaz de superar todos los retos que entraña una medida tan elusiva, hasta hace poco considerada imposible. Al mismo tiempo, supone un avance en nuestra comprensión de la naturaleza y de las interacciones fuertes, en un régimen hasta ahora inexplorado.

El futuro se presenta prometedor. Al igual que ocurrió tras el descubrimiento del bosón de Higgs, ahora la tarea consiste en caracterizar las propiedades del toponium, para comprobar que su espín, color, etc. concuerdan con las predicciones teóricas. Esperamos más resultados pronto, quizás tan pronto como el próximo otoño.

Juan Antonio Aguilar Saavedra, Investigador científico del CSIC en física teórica de partículas elementales, Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.