Quark top + anti-top: partículas condenadas a la soledad… colisionaron. En contra de todas las leyes

Físicos del CERN han registrado por primera vez un fenómeno que durante mucho tiempo se consideró imposible: las partículas más masivas y efímeras del universo —los quarks top— pueden unirse brevemente con sus antipartículas, formando pares cuasi-vinculados. Este descubrimiento, confirmado por dos experimentos independientes en el Gran Colisionador de Hadrones, pone en duda la antigua idea de que los quarks top existen totalmente aislados y abre la puerta a revisar la estructura fina del Modelo Estándar.

La anomalía fue observada por primera vez por el equipo del experimento CMS, analizando datos de 2016 a 2018. Al estudiar procesos en los que podrían intervenir nuevas variantes del bosón de Higgs, los físicos detectaron un exceso de eventos con pares de quark top y anti-top. Al principio se pensó que era señal de una nueva partícula, pero resultó que el pico aparecía exactamente en el umbral energético necesario para crear tales pares. Esto, en sí mismo, resultaba sospechosamente regular.

El 7 de julio, participantes del proyecto ATLAS anunciaron haber hallado una anomalía similar en el conjunto completo de datos de Run‑2 (2015–2018). La coincidencia de resultados en los dos mayores detectores descarta el ruido estadístico o errores instrumentales. Así surgió una hipótesis de trabajo: el toponio —un sistema efímero donde un quark top y su antipartícula se vinculan brevemente bajo la acción del campo gluónico.

¿Por qué antes se pensaba que tales estados eran imposibles? Porque el quark top se desintegra en menos de 10⁻²⁵ segundos —mucho más rápido de lo que tarda en formarse siquiera un vínculo intermedio. A diferencia de otros quarks de “larga vida” que forman estados estables o casi estables (como el charmonio o el bottomonio), el quark top parecía condenado a la soledad. Pero las nuevas observaciones muestran que, en condiciones cercanas al umbral energético, puede producirse una breve, pero coordinada interacción —una especie de “puente cuántico” que dura una fracción de una fracción de nanosegundo.

CMS midió la probabilidad de formación de tal estado: 8,8 ± 1,3 picobarns —una cifra que supera el umbral estadístico de significancia física (5 sigma). ATLAS obtuvo un resultado similar: 9,0 ± 1,3 picobarns, con una significancia de 7,7 sigma. Es decir, se trata de un efecto físico real, no de una fluctuación aleatoria.

Los modelos actuales de cromodinámica cuántica (QCD) describen mal este tipo de partículas tan pesadas e inestables. Explicar el toponio requerirá nuevos métodos de cálculo —especialmente considerando que las masas involucradas son enormes y los tiempos de existencia, prácticamente nulos.

Una hipótesis alternativa sugiere la existencia de una partícula desconocida con una masa cercana al doble de la del quark top. Tal partícula podría formarse en colisiones de gluones y desintegrarse en un par top + anti-top. Para confirmar este escenario, se necesitan simulaciones ultra precisas de procesos al límite de lo predecible —una tarea que hoy ya excede las capacidades de muchos modelos existentes.

¿Por qué el efecto se detectó recién ahora? Por su extrema rareza. Estos eventos se pierden entre miles de millones de colisiones protón-protón comunes y quedan ocultos bajo el ruido estadístico. Solo gracias al volumen de datos de Run‑2 y a los métodos mejorados de análisis se logró aislar esta señal débil pero reproducible.

Si se confirma la existencia del toponio, se convertirá en el tercer cuasiestado conocido de quarks pesados, junto al charmonio y el bottomonio. Esto no solo completaría la “tríada” de pares de corta vida, sino que abriría la puerta al estudio de formas de materia que antes se creían inalcanzables.

Actualmente se está llevando a cabo la nueva fase experimental Run‑3 del Gran Colisionador de Hadrones. Los científicos esperan que los nuevos datos ayuden a esclarecer el mecanismo de atracción entre quarks top y, quizás, a revelar desviaciones del Modelo Estándar. Tales descubrimientos podrían ser tan significativos como las revoluciones en la física cuántica, donde cada vez surgen más fenómenos que desafían nuestras nociones tradicionales sobre la naturaleza. En el futuro de las tecnologías cuánticas, estos efectos podrían convertirse en la clave para nuevas formas de interactuar con la materia a nivel fundamental.