A descoberta inesperada do tetraquark de charme duplo deu aos físicos uma nova ferramenta para aprimorar sua compreensão das mais fortes forças fundamentais da natureza.
Nesta primavera, em uma reunião do grupo de física quark da Syracuse University, Ivan Polyakov anunciou que havia descoberto as impressões digitais de uma partícula semimítica.
“Dissemos: ‘Isso é impossível. Que erro você está cometendo?'”, Lembrou Sheldon Stone, o líder do grupo.
Polyakov foi embora e checou duas vezes sua análise de dados do experimento de beleza do Large Hadron Collider (LHCb), do qual o grupo Syracuse faz parte. A evidência foi mantida. Ele mostrou que um conjunto particular de quatro partículas fundamentais chamadas quarks podem formar um clique compacto, ao contrário da crença da maioria dos teóricos. A colaboração do LHCb relatou a descoberta da partícula composta, apelidada de tetraquark de duplo charme, em uma conferência em julho e em dois artigos publicados no início deste mês que agora estão passando por revisão por pares.
A descoberta inesperada do tetraquark de charme duplo destaca uma verdade incômoda. Embora os físicos conheçam a equação exata que define a força forte – a força fundamental que une os quarks para formar os prótons e nêutrons nos corações dos átomos, bem como outras partículas compostas como os tetraquarks – eles raramente conseguem resolver esta equação estranha e infinitamente iterativa , então eles lutam para prever os efeitos da força forte.
O tetraquark agora apresenta aos teóricos um alvo sólido contra o qual testam sua maquinaria matemática para aproximar a força forte. Aprimorar suas aproximações representa a principal esperança dos físicos para compreender como os quarks se comportam dentro e fora dos átomos – e para separar os efeitos dos quarks de sinais sutis de novas partículas fundamentais que os físicos estão buscando.
Quark Cartoon
O bizarro dos quarks é que os físicos podem abordá-los em dois níveis de complexidade. Na década de 1960, lutando com um zoológico de partículas compostas recém-descobertas, eles desenvolveram o “modelo quark” de desenho animado, que simplesmente diz que os quarks se aglomeram em conjuntos complementares de três para formar o próton, o nêutron e outros chamados bárions, enquanto pares de quarks constituem vários tipos de partículas de “meson”.
Gradualmente, porém, surgiu uma teoria mais profunda conhecida como cromodinâmica quântica (QCD). Ele pintou o próton como uma massa fervilhante de quarks unidos por cordas emaranhadas de partículas de “glúon”, os portadores da força forte. Os experimentos confirmaram muitos aspectos da QCD, mas nenhuma técnica matemática conhecida pode desvendar sistematicamente a equação central da teoria.
De alguma forma, o modelo de quark pode representar a verdade muito mais complicada, pelo menos quando se trata do zoológico de bárions e mésons descobertos no século XX. Mas o modelo não conseguiu prever os fugazes tetraquarks e cinco quarks “pentaquarks” que começaram a aparecer nos anos 2000. Essas partículas exóticas certamente derivam da QCD, mas por quase 20 anos, os teóricos não sabem como.
“Nós simplesmente não sabemos o padrão ainda, o que é constrangedor”, disse Eric Braaten, um teórico de partículas na Ohio State University.
O mais novo tetraquark aguça o mistério.
Ele apareceu nos escombros de cerca de 200 colisões no experimento LHCb, onde prótons se chocam 40 milhões de vezes por segundo, dando aos quarks incontáveis oportunidades de cavort de todas as maneiras que a natureza permite. Quarks vêm em seis “sabores” de massas diferentes, com quarks mais pesados aparecendo mais raramente. Cada uma dessas 200 colisões gerou energia suficiente para fazer dois quarks com sabor de charme, que pesam mais do que os quarks leves que compreendem os prótons, mas menos do que os quarks “belos” gigantescos que são a principal pedreira do LHCb. Os charmosos quarks de peso médio também se aproximaram o suficiente para atrair um ao outro e amarrar dois antiquarks leves. A análise de Polyakov sugeriu que os quatro quarks se uniram por gloriosos 12 sextilionésimos de segundo antes de uma flutuação de energia conjurar dois quarks extras e o grupo se desintegrar em três mésons.
Para um tetraquark, isso é uma eternidade. Os tetraquarks anteriores continham quarks emparelhados com seus antiquarks opostos igualmente massivos e tendiam a soprar no nada milhares de vezes mais rápido. A formação do novo tetraquark e a estabilidade subsequente surpreenderam o grupo de Stone, que esperava que os quarks charmosos se atraíssem ainda mais fracamente do que os pares quark-antiquark que ligam tetraquarks mais efêmeros. É uma nova pista para o enigma da força forte.
Regras Práticas de Quark
Um dos poucos teóricos a prever por que dois quarks encantos podem se misturar foi Jean-Marc Richard, agora no Instituto de Física dos 2 Infinitos em Lyon, França. Em 1982, ele e dois colegas estudaram um modelo de quark simples e inicialmente descobriram que quatro quarks preferiam formar dois pares – mésons. Um par de quark pode dançar tanto quanto um próton e um elétron. Mas acrescente mais dois e os recém-chegados tendem a atrapalhar, enfraquecendo a atração e condenando a partícula coletiva.
Mas os teóricos também notaram uma lacuna: quartetos tortos podem ficar juntos, se o par maior for pesado o suficiente para não dar muita atenção ao par mais leve. A questão era: quão distorcidas as massas teriam que ser?
Uma análise mais aprofundada por Richard e um colega previu que não é necessário ir até os quarks mais gigantescos; um par de quarks charme de peso médio poderia ancorar um tetraquark. Mas extensões alternativas do modelo de quark previram diferentes pontos de inflexão, e a existência do tetraquark de duplo charme permaneceu duvidosa. “Havia mais suposições de que não existiria do que de que existiria”, disse Braaten.
O mesmo acontecia com as simulações de computador “lattice QCD”, uma abordagem poderosa para aproximar o QCD. Essas simulações capturam a riqueza da teoria analisando quarks e glúons interagindo em pontos em uma grade fina, em vez de em um espaço liso. Todas as simulações QCD da rede concordaram que os quarks mais pesados podem fazer tetraquarks. Mas quando os pesquisadores trocaram os quarks charme, a maioria das simulações descobriu que os tetraquarks charme duplo não podiam se formar.
Agora, o experimento LHCb fez uma decisão definitiva: quarks Charm podem unir um tetraquark. (Mas por pouco – os físicos calculam que, se a partícula composta tivesse apenas um centésimo de um por cento a mais de massa, dois mésons venceriam.) Agora os teóricos têm um novo parâmetro de referência para seus modelos.
Para os praticantes de QCD de rede, o novo tetraquark destaca o problema de que detalhes importantes sobre os quarks de tamanho médio podem estar se perdendo entre seus pontos de rede. Quarks leves podem deslizar o suficiente para permitir que seu movimento seja capturado mesmo contra uma grade grosseira. E os pesquisadores podem lidar com quarks pesados e mais estáticos, fixando-os em um local. Mas os quarks charmosos habitam um meio-termo estranho, e os pesquisadores acham que precisarão aumentar o zoom para discernir melhor seu comportamento. “Precisamos, muito provavelmente, de uma treliça mais fina”, disse Pedro Bicudo, um especialista em treliças QCD da Universidade de Lisboa, em Portugal.
Simulações de QCD de rede mais capazes terão benefícios de longo alcance. O principal objetivo dos físicos de partículas em experimentos como o LHCb é encontrar sinais de novas partículas fundamentais, como aquelas que podem constituir a matéria escura do universo. Para fazer isso, eles devem ser capazes de distinguir a dança dos quarks encantos e seus parentes de outras influências mais inovadoras.
“Onde quer que o quark encanto seja importante, essa [descoberta] se espalhará por lá”, disse Bicudo.
Publicado em 28/09/2021 11h57
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