A interação forte é uma das forças fundamentais da natureza, que liga os quarks aos hádrons, como o próton e o nêutron, os blocos de construção dos átomos. De acordo com o modelo quark, os hádrons podem ser formados por dois ou três quarks, chamados mésons e bárions, respectivamente, e coletivamente chamados de hádrons convencionais. O modelo de quark também permite a existência dos chamados hádrons exóticos, compostos por quatro (tetraquarks), cinco (pentaquarks) ou mais quarks.
Um rico espectro de hádrons exóticos é esperado, assim como para os convencionais. No entanto, nenhum sinal inequívoco de hádrons exóticos foi observado até 2003, quando o estado X (3872) foi descoberto pelo experimento Belle. Nos anos seguintes, alguns estados mais exóticos foram descobertos. A explicação de suas propriedades requer a existência de quatro quarks constituintes. A identificação de estados de pentaquark é ainda mais difícil, e os primeiros candidatos foram observados pelo experimento LHCb em 2015. Todos esses estados conhecidos contêm no máximo dois quarks pesados – o quark de beleza ou charme.
Recentemente, ao estudar a distribuição de massa invariante de dois mesons J / ψ produzidos em colisões próton-próton em energias de centro de massa de até 13 TeV, a colaboração do LHCb observou duas estruturas. A estrutura mais estreita é descrita como um estado hadron de massa de cerca de 6900 MeV / c2, denotado como X (6900). Como o meson J / ψ contém um charme (c) e um quark anticharm (bar {c}), o novo estado sugere um conteúdo mínimo de quark de ccbar {c} bar {c}, tornando-o um candidato para tetraquark de quatro encantos estados. A outra estrutura, sendo ampla e próxima do dobro da massa de repouso J / ψ, pode ser devido a outro tetraquark de largura maior ou uma combinação de vários estados de tetraquark sobrepostos.
“É muito emocionante ver a primeira evidência experimental de um tetraquark de quatro encantos. A composição única do novo estado o torna um laboratório ideal para obter informações sobre a forte interação dentro dos hádrons”, disse o físico do LHCb que trabalha na seção INFN de Florença, Liupan An.
Embora a cromodinâmica quântica (QCD) seja a teoria comumente usada para descrever a interação forte, a compreensão da estrutura interna de um hadron ainda não é possível a partir dos cálculos do primeiro princípio. Modelos que aproximam QCD são introduzidos para explicar o mecanismo de ligação de quarks em hádrons. Na imagem molecular, um estado exótico é formado por dois hádrons convencionais fracamente ligados, como o deuteron. A estrutura molecular é atualmente a interpretação favorecida dos pentaquarks estreitos observados pelo LHCb e o estado X (3872).
No entanto, espera-se que os estados hadrônicos feitos exclusivamente de quarks pesados sejam fortemente limitados; por exemplo, um tetraquark de quatro encantos é geralmente considerado formado por um cc-diquark e um antidiquark abar {c} bar {c} que se atraem. O modelo cc-diquark previu com sucesso a massa do bárion ξcc ++ observada pelo LHCb em 2017. A dispersão de hádrons conhecidos por meio da forte interação também é possível para criar estruturas que se parecem com um estado de hádrons. A natureza dos estados de quatro encantos recentemente observados ainda está para ser determinada, embora uma interpretação compacta de tetraquark seja preferida.
“A observação do LHCb abre uma nova janela para estudos de espectroscopia de hadron multiquark. Mais estudos de físicos experimentais e teóricos proporcionarão a oportunidade de entender a natureza do estado de quatro encantos”, disse Yanxi Zhang, trabalhando no experimento LHCb no Universidade de Pequim.
“Se a interpretação de quatro quarks pesados estiver correta, espera-se que um espectro completo desses estados estreitamente ligados seja descoberto a partir dos dados que o LHCb será capaz de coletar em um futuro próximo. Medidas das massas e larguras desses estados, que pode ser previsto em QCD com precisão relativamente alta, fornecerá um teste de sondagem de nossa compreensão das interações fundamentais entre os hádrons “, acrescenta Giacomo Graziani do INFN Florença.
O LHCb é um dos quatro grandes experimentos localizados no acelerador de partículas mais poderoso do mundo, o Large Hadron Collider (LHC) no CERN. O experimento LHCb é dedicado a medições precisas de partículas contendo quarks de charme ou beleza, com o objetivo de explorar o quebra-cabeça da assimetria matéria-antimatéria, em busca de evidências indiretas de novas físicas e sondagem da interação forte. A colaboração consiste em mais de 1400 físicos e engenheiros de todo o mundo.
“Este é um importante passo à frente na exploração da estrutura interna e dinâmica dos hádrons.” disse o Prof. Yuanning Gao, líder do grupo chinês LHCb, “O experimento LHCb demonstrou novamente sua capacidade em espectroscopia de sabor pesado e continuará contribuindo para a compreensão da forte interação.”
A forte interação continua nos surpreendendo com novas estruturas e novos fenômenos após várias décadas de busca e certamente fará isso novamente no futuro.
Publicado em 12/11/2020 12h51
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