Ao longo do século 20, os físicos descobriram inúmeras partículas elementares. A maior família dessas partículas são os chamados hádrons, partículas subatômicas que participam de interações fortes.
Esta ampla família de partículas contém vários subconjuntos de partículas com propriedades semelhantes. Em 1964, M. Gell-Mann e G. Zweig introduziram uma renomada teoria conhecida como “Modelo Quark”, que delineava claramente a estrutura interna dos hádrons.
O Modelo Quark sugere que os hádrons consistem em três quarks (bárions) ou pares quark-antiquark (mésons). Enquanto muitos hádrons descobertos se enquadram em uma dessas duas categorias, o modelo também levanta a hipótese da existência de hádrons com estruturas mais complexas, como pentaquarks (ou seja, quatro quarks e um antiquark) e tetraquarks (ou seja, dois pares quark-antiquark).
Muitos estudos na década de 1970 teorizaram sobre os possíveis mecanismos subjacentes à formação dessas estruturas complexas de hádrons. Todos os hádrons descobertos até 2003 tinham estruturas que combinam com um dos dois principais tipos descritos pelo Modelo Quark, mas algumas das partículas observadas após essa data são difíceis de explicar usando o modelo.
O experimento LHCb é um detector do Grande Colisor de Hádrons do CERN com o objetivo principal de revelar diferenças entre matéria e antimatéria estudando um tipo específico de partícula, conhecido como “quark da beleza”. A Colaboração LHCb, o grande grupo de pesquisadores envolvidos no experimento, observou recentemente um tetraquark exótico com uma estrutura incomum, contendo dois quarks charm.
“A descoberta do quark charme pesado em 1974 (observação de mésons J/ψ em 1974, muitas vezes chamado de ‘revolução de novembro’) e quark beauty ainda mais pesado em 1977, levou ao reconhecimento de que os tetraquarks consistindo em dois quarks pesados e dois quarks leves antiquarks podem ter propriedades interessantes e incomuns”, disse Vanya Belyaev, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. “No entanto, instalações experimentais adequadas para a busca e estudo de tais objetos ‘duplos pesados’ só apareceram no século 21, com o início do Grande Colisor de Hádrons no CERN.”
No colisor do LHC, os físicos podem estudar colisões entre prótons em energias muito altas, que promovem a produção de inúmeras partículas pesadas e duplas pesadas. Em 2011 e 2012, a colaboração do LHCb analisou uma pequena fração dos dados coletados no LHC e descobriu que a probabilidade da produção simultânea de dois pares de quarks charme-anticharm nessas altas energias estava longe de ser baixa, sugerindo que o colisor poderia permitir a observação de objetos pesados duplos.
“Com mais dados, em 2017, a colaboração do LHCb relatou uma observação do bárion de charme duplo Ξcc++ consistindo nos dois quarks charm e u-quark leve”, explicou Belyaev. “Com esta observação, ficou claro que, se existem tetraquarks de duplo charme, sua observação seria apenas uma questão de tempo.”
Seguindo a observação do LHCb do bárion de duplo charme Ξcc++ , M.Karliner e J.Rosner foram capazes de usar suas propriedades medidas para prever com precisão as propriedades que um tetraquark hipotético teria. Tal tetraquark consistiria em dois quarks charm, um antiquark u e um antiquark d. A partícula teórica foi denominada Tcc+.
“As propriedades previstas do tetraquark Tcc+ implicam que a partícula se exibirá como um pico estreito na distribuição de massa para o par de mésons encantados D*+ e D0, onde D*+ e D0 são mésons encantados convencionais consistindo de (quark charm e anti-d-quark) e (charm quark e anti-u-quark)”, disse Belyaev. “É interessante notar que a massa prevista do tetraquark Tcc+ é muito próxima da soma das massas dos mésons D*+ e D0, o que também significa que se a massa for apenas 1% menor que o valor previsto, o propriedades do Tcc+ serão muito diferentes e não serão visíveis no espectro de massa D*+ e D0. Se a massa for apenas 5% maior, o pico será largo (ou mesmo muito largo) e será muito difícil , quase impossível, observar experimentalmente.”
Essencialmente, o trabalho de M. Karliner e J. Rosner apontou as condições exatas que seriam adequadas para observar o hipotético tetraquark Tcc+. Suas previsões foram, em última análise, o que guiou o trabalho recente da colaboração do LHCb.
Em seu estudo, a colaboração estudou cuidadosamente o espectro de massa dos pares de mésons D*+ e D0, usando um conjunto de dados contendo todos os dados acumulados no colisor do LHC de 2011 a 2018. Em sua análise anterior, realizada em 2012, os pesquisadores usaram apenas 4% dos dados disponíveis hoje para estudar a região das massas relativamente grandes de pares D*+ e D0.
Em sua nova análise, eles focaram especificamente na região de massas que está mais próxima da soma das massas dos mésons D*+ e D0. Nesta região, eles observaram mais de cem tetraquarks Tcc+ de sinal que formam um pico notavelmente estreito muito próximo da soma das massas dos mésons D*+ e D0 com uma significância estatística esmagadora.
“A significância estatística que observamos é tão alta que exclui totalmente que o sinal observado seja uma flutuação estatística”, explicou Belyaev. “Como o méson D*+ consiste em um quark charm e um quark anti-d, e o méson D0 consiste em um quark charm e um anti-u-quark, ele fixa o conteúdo mínimo do quark observado como dois quarks charm, anti-d -quar e anti-u-quark.”
A colaboração do LHCb realizou vários testes para validar seus resultados. Todos esses testes confirmaram que o sinal observado estava associado a um tetraquark Tcc+. Finalmente, eles mediram a massa do tetraquark Tcc+ e a largura de seu pico.
“De acordo com as leis da mecânica quântica, a largura do pico está relacionada ao tempo de vida inverso da partícula, e descobrimos que a largura corresponde a um tempo de vida muito longo, um dos maiores para as partículas que decaem devido a fortes interações e o mais longo de todos os hádrons exóticos encontrados até agora”, disse Belyaev. “Em certo sentido, Tcc+ é Matusalém dos hádrons exóticos.”
Os pesquisadores realizaram recentemente um estudo de acompanhamento, apresentado na Nature Communications, explorando ainda mais as propriedades da partícula Tcc+. Neste trabalho, eles mostraram que o padrão de decaimento é consistente com Tcc+→(D*+→D0Π+)D0 . Eles também verificaram a distribuição da massa dos pares D0D0 e D+D0 e descobriram que os aprimoramentos nesses espectros são muito bem consistentes com os decaimentos Tcc+→(D*+→D0Π+)D0 com méson Π+ ausente e Tcc+→( D*+→D+Π0/γ)D0 com Π0/γ ausente.
“Ainda não medimos os números quânticos das partículas Tcc+ diretamente, mas oferecemos fortes argumentos em apoio ao spin total J e paridade P da partícula observada, que são os números quânticos mais importantes, são JP=1+, em acordo perfeito com as expectativas”, disse Belyaev. “Para sondar outro número quântico importante, isospin, estudamos espectros de massa para os pares D0D0, D+D0, D+D+, D+D*+, procurando possíveis contribuições dos parceiros hipotéticos de isospin. Eles não encontraram sinais sugerindo que o isospin do estado Tcc+ recentemente observado é 0, de acordo com as previsões.”
O tetraquark Tcc+ observado pela colaboração do LHCb pode ter pelo menos duas estruturas internas diferentes. Por exemplo, poderia ter uma “estrutura semelhante a moléculas”, onde dois quarks charm são separados por uma grande distância, comparável ao tamanho do núcleo atômico, uma “estrutura compacta”, onde a distância entre os dois quarks charm é significativamente menor ou uma combinação dos dois.
Em seu recente artigo de acompanhamento, a equipe usou um modelo sofisticado para determinar o que essa estrutura poderia ser e mediu as propriedades fundamentais do estado Tcc+, incluindo o comprimento de espalhamento, alcance efetivo e posição do pólo, que são importantes ao tentar determinar um estrutura interna da partícula. Os valores medidos pelos pesquisadores são compatíveis com uma estrutura tipo molecular, mas isso ainda não foi confirmado.
A observação da colaboração do LHCb do tetraquark Tcc+ é uma contribuição significativa para o campo de alta energia e física de partículas. De fato, já provocou importantes discussões teóricas sobre a natureza de Tcc+, estados semelhantes a moléculas relacionadas, como o enigmático X(3872), e a questão geral com a existência dos “tetraquarks compactos”.
Em seus estudos futuros, a colaboração planeja tentar determinar diretamente os números quânticos do novo estado, já que até agora eles só obtiveram evidências fortes, mas indiretas deles.
“É muito importante entender o mecanismo de produção do estado Tcc+ na colisão próton-próton”, acrescentou Belyaev. “Atualmente, temos algumas observações contra-intuitivas – algumas distribuições, como momento transversal e multiplicidade de trilhas são realmente intrigantes e mais dados são necessários para a resolução. Será muito interessante comparar a produção das partículas Tcc+ e Ξcc++ – aqui um certo nível de semelhança é esperado, mas também para comparar as propriedades, incluindo propriedades de produção, da partícula Tcc++ e uma enigmática partícula X(3872).
Publicado em 16/07/2022 11h53
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