28 de março de 2019

Físicos descobrem uma nova classe misteriosa de partículas contendo cinco quarks

(Daniel Dominguez / CERN)

Tudo o que você vê ao seu redor é composto de partículas elementares chamadas quarks e leptons, que podem se combinar para formar partículas maiores, como prótons ou átomos.

Mas isso não os torna chatos - essas partículas subatômicas também podem se combinar de maneiras exóticas que nunca foram vistas.

Agora, a colaboração LHCb do CERN anunciou a descoberta de um punhado de novas partículas apelidadas de "pentaquarks". Os resultados podem ajudar a desvendar muitos mistérios da teoria dos quarks, uma parte fundamental do modelo padrão da física de partículas.

Os quarks foram propostos pela primeira vez para explicar o desleixo de novas partículas descobertas em experimentos de raios cósmicos e colisores em meados do século XX. Esse crescente "zoológico" de partículas aparentemente fundamentais causou consternação entre os físicos, que têm um viés natural em relação à simplicidade e à ordem - e detestam ter que lembrar mais do que alguns princípios básicos.

O famoso físico italiano Enrico Fermi captou o humor de seus colegas quando disse "jovem, se eu pudesse lembrar os nomes de todas essas partículas, eu teria sido um botânico".

Felizmente, na década de 1960, o físico norte-americano Murray Gell-Mann percebeu padrões no zoológico de partículas, semelhantes aos observados por Dimitri Mendeleev quando elaborou a tabela periódica dos elementos químicos.

Assim como a tabela periódica implicava a existência de coisas menores que os átomos, a teoria de Gell-Mann sugeria a existência de uma nova classe de partículas fundamentais. Os físicos de partículas finalmente conseguiram explicar as centenas de partículas no zoológico como sendo constituídas por um número muito menor de partículas realmente fundamentais chamadas quarks.

Hadrons mistério

Existem seis tipos de quarks no modelo padrão - para baixo, para cima, estranho, charme, inferior e superior. Estes também têm companheiros de "antimatéria" - acredita-se que cada partícula tem uma versão de antimatéria que é praticamente idêntica a si mesma, mas com a carga oposta. '

Quarks e antiquarks se unem para formar partículas conhecidas como hádrons.

De acordo com o modelo de Gell-Mann, existem duas classes amplas de hádrons. Uma delas são partículas feitas de três quarks chamados bárions (que incluem os prótons e nêutrons que compõem o núcleo atômico) e as outras partículas feitas de um quark e um antiquark conhecido como mesons .

Até recentemente, barões e mésons eram os únicos tipos de hádrons que tinham sido vistos em experimentos. No entanto, na década de 1960, Gell-Mann também levantou a possibilidade de combinações mais exóticas de quarks, como os tetraquarks (dois quarks e dois antiquarks) e pentaquarks (quatro quarks e um antiquark).

Em 2014, o LHCb, que realiza um dos quatro experimentos gigantes no Grande Colisor de Hádrons do CERN, publicou um resultado mostrando que o rapidamente chamado Z (4430) + partícula era um tetraquark. Isso começou uma onda de interesse em novos hadrons exóticos.

Então, em 2015, o LHCb anunciou a descoberta do primeiro pentaquark, adicionando uma nova classe de partículas à família hadron.

Os resultados apresentados pelo LHCb hoje expandem essa primeira descoberta de pentaquark encontrando essas partículas adicionais. Isso foi possível graças a uma grande quantidade de novos dados registrados durante a segunda execução do Large Hadron Collider.

Liming Zhang , professor associado da Universidade Tsinghua, em Pequim, e um dos físicos que fizeram a medição, disse que "agora temos dez vezes mais dados do que em 2015, o que nos permite ver estruturas mais interessantes e refinadas do que poderíamos antes. "

Quando Liming e seus colegas examinaram o pentaquark original descoberto em 2015, ficaram surpresos ao descobrir que ele havia se partido em dois. O pentaquark original era na verdade duas partículas separadas de pentaquark que tinham massas semelhantes que originalmente pareciam uma única partícula.

Como se dois pentaquarks pelo preço de um não fossem excitantes o suficiente, o LHCb também encontrou um terceiro pentaquark com uma massa um pouco menor que os outros dois. Todos os três pentaquarks são feitos de um quark down, dois quarks up, um quark charme e um antiquark charme.

A grande questão agora é: qual é a estrutura interna precisa desses pentaquarks?

Uma opção é que eles são realmente feitos de cinco quarks, com todos eles misturados uniformemente dentro de um único hadrón. Outra possibilidade é que os pentaquarks sejam realmente um barão e um méson grudados para formar uma molécula frouxamente ligada, semelhante à forma como prótons e nêutrons se ligam dentro do núcleo atômico.

Tomasz Skwarnicki , professor de física na Universidade de Syracuse, em Nova York, que também trabalhou na medição, disse-me que o novo estado acompanhante "está em uma massa que oferece dicas sobre a estrutura interna dos pentaquarks".

A opção mais provável é que esses pentaquarks sejam moléculas baryon-meson, acrescentou ele. Para ter certeza absoluta, os físicos precisarão de mais dados experimentais, assim como mais estudos de teóricos, o que significa que a história desses pentaquarks está longe de terminar.

Estes resultados completam uma semana de novos anúncios do LHCb, que incluiu a descoberta de um novo tipo de assimetria de matéria-antimatéria . O LHC ainda não descobriu nenhuma partícula além do modelo padrão que poderia ajudar a explicar mistérios como a matéria escura , uma substância invisível, mas desconhecida, que compõe a maior parte da matéria no universo.

Mas essas medições empolgantes mostram que ainda há muito o que aprender sobre as partículas e forças do modelo padrão. Pode ser que nossa melhor chance de encontrar respostas para as grandes questões que a física fundamental enfrenta no século XXI seja o estudo mais detalhado das partículas que já conhecemos, em vez de descobrir novas.

De qualquer forma, ainda temos muito a descobrir. A conversa

Harry Cliff , físico de partículas da Universidade de Cambridge .

Este artigo foi republicado em The Conversation 

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