A descrição do livro didático de um próton diz que ele contém três partículas menores – dois quarks up e um quark down – mas uma nova análise encontrou fortes evidências de que ele também contém um quark charm
O próton, uma partícula encontrada no coração de cada átomo, parece ter uma estrutura mais complicada do que a tradicionalmente apresentada nos livros didáticos. A descoberta pode ter ramificações para experimentos de física de partículas sensíveis, como o Grande Colisor de Hádrons (LHC).
Enquanto os prótons já foram considerados indivisíveis, experimentos com aceleradores de partículas na década de 1960 revelaram que eles continham três partículas menores, chamadas quarks. Os quarks vêm em seis tipos, ou sabores, e o próton contém dois quarks up e um quark down.
Mas na mecânica quântica, a estrutura de uma partícula é governada por probabilidades, o que significa que teoricamente há uma chance de que outros quarks possam surgir dentro do próton na forma de pares matéria-antimatéria. Um experimento da European Muon Collaboration no CERN em 1980 sugeriu que o próton poderia conter um quark charm e seu equivalente de antimatéria, um anticharm, mas os resultados foram inconclusivos e muito debatidos.
Houve outras tentativas de identificar o componente de charme do próton, mas diferentes grupos encontraram resultados conflitantes e tiveram dificuldade em separar os blocos de construção intrínsecos de um próton do ambiente de alta energia dos aceleradores de partículas, onde todo tipo de quark é criado e destruído em rápida sucessão. .
Agora, Juan Rojo, da Vrije University Amsterdam, na Holanda, e seus colegas encontraram evidências de que uma pequena parte do momento do próton, cerca de 0,5%, vem do quark charm. “É notável que, mesmo depois de todas essas décadas de estudo, ainda encontremos novas propriedades do próton e, em particular, novos constituintes”, diz Rojo.
Para isolar o componente de charme, Rojo e sua equipe usaram um modelo de aprendizado de máquina para criar estruturas hipotéticas de prótons consistindo em todos os diferentes tipos de quarks e depois as compararam com mais de 500.000 colisões do mundo real de décadas de experimentos com aceleradores de partículas, incluindo no LHC.
Esse uso de aprendizado de máquina foi especialmente importante, diz Christine Aidala, da Universidade de Washington, porque poderia gerar modelos que os físicos não necessariamente pensariam por si mesmos, reduzindo a chance de medições tendenciosas.
Os pesquisadores descobriram que, se o próton não contiver um par de quarks charme-anticharm, há apenas 0,3% de chance de ver os resultados que examinaram. Os físicos chamam isso de resultado “3-sigma”, que normalmente é visto como um sinal potencial de algo interessante. Mais trabalho é necessário para aumentar os resultados para o nível de 5 sigma, o que significa cerca de 1 em 3,5 milhões de chance de um resultado por acaso, que é tradicionalmente o limite para uma descoberta.
A equipe analisou os resultados recentes do experimento LHCb Z-boson e modelou a distribuição estatística do momento do próton com e sem um quark charm. Eles descobriram que o modelo combinava melhor com os resultados se o próton fosse assumido como tendo um quark charm. Isso significa que eles estão mais confiantes em propor a presença de um quark charm do que o nível sigma por si só sugere. “O fato de estudos muito diferentes convergirem para o mesmo resultado nos deixou especialmente confiantes de que nossos resultados eram sólidos”, diz Rojo.
“Dada a onipresença dessa partícula e há quanto tempo a conhecemos, ainda há muito que não entendemos sobre sua subestrutura, então isso é definitivamente importante”, diz Harry Cliffe, da Universidade de Cambridge.
O componente de charme do próton também pode ter ramificações para outros experimentos físicos no LHC, diz Cliffe, pois eles dependem de modelos precisos da subestrutura do próton. O Observatório de Neutrinos IceCube na Antártida, que procura neutrinos raros produzidos quando raios cósmicos atingem partículas na atmosfera da Terra, também pode precisar levar em conta essa nova estrutura, diz Rojo. “A probabilidade de um raio cósmico impactar um núcleo atmosférico e produzir neutrinos é bastante sensível ao conteúdo de charme do próton”, diz ele.
Publicado em 19/08/2022 09h31
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