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Cientistas do experimento LHCb no CERN, perto de Genebra, observaram um tipo de partícula composta de quatro quarks nunca antes vistas. A descoberta, apresentada em um seminário recente por esse famoso laboratório de partículas e descrita anteontem em um artigo publicado no repositório arXiv, provavelmente será a primeira de uma classe de partículas anteriormente desconhecida.
A descoberta ajudará os físicos a entender melhor as formas complexas nas quais os quarks se agrupam para formar partículas compostas, como prótons e nêutrons, encontradas no núcleo do átomo.
Os quarks se combinam em grupos de dois ou três para formar partículas chamadas hádrons. Por décadas, no entanto, a física teórica previu a existência de hádrons compostos por quatro e cinco quarks descritos, respectivamente, como tetraquarks e pentaquarks.
Nos últimos anos, vários experimentos como o LHCb confirmaram a existência de vários hádrons exóticos. Essas partículas feitas de combinações incomuns de quarks são um laboratório perfeito para estudar uma das quatro forças fundamentais da natureza, a força forte, que mantém prótons e nêutrons juntos no núcleo atômico que compõe a matéria. Uma melhor compreensão dessa interação também é essencial para determinar se um processo novo e inesperado é sinal de uma nova física ou apenas física padrão.
“As partículas compostas por quatro quarks são inerentemente exóticas, mas a que acabamos de descobrir é a primeira composta por quatro quarks pesados do mesmo tipo, especificamente dois quarks charm e dois antiquarks charm”, revela o porta-voz da colaboração do LHCb, Giovanni Passaleva, prestes a deixar o cargo. “Até agora, o LHCb e outras experimentos observaram apenas tetraquarks com dois quarks pesados no máximo, e nenhum com mais de dois quarks do mesmo tipo”.
“Essas partículas pesadas exóticas fornecem casos extremos e teoricamente simples para testar modelos que podem ser usados para explicar a natureza das partículas da matéria comum, como prótons ou nêutrons. Portanto, é muito empolgante vê-los aparecer em colisões no LHC pela primeira vez”, explica o próximo porta-voz do LHCb, Chris Parkes.
Em busca do “bump”
A equipe do LHCb encontrou o novo tetraquark usando uma técnica que consiste na busca por um excesso de colisões conhecidas como “bump”, no fundo dos eventos. Ocultos nos dados do primeiro e do segundo ciclo de operação ou execução do Large Hadron Collider (LHC), entre os anos 2009-2013 e 2015-2018, respectivamente, os pesquisadores detectaram um excesso na distribuição de massa de pares de partículas J/ψ, que consistem em um quark charm e um antiquark charm.
Esse excesso tem uma significância estatística superior a cinco sigma, o limiar a partir do qual a descoberta de uma nova partícula é considerada e corresponde a uma massa de acordo com a prevista para partículas compostas por quatro quarks.
Como nas descobertas anteriores do tetraquark, ainda não está totalmente claro se a nova partícula é um verdadeiro tetraquark, ou seja, um sistema de quatro quarks intimamente ligados entre si ou um par de duas partículas compostas por dois quarks fracamente ligados, como a estrutura de uma molécula. Em qualquer caso, o novo tetraquark ajudará os físicos teóricos a testar modelos de cromodinâmica quântica (QCD), a teoria da força forte.
Para Fernando Martínez Vidal, professor da Universidade de Valência e pesquisador do Instituto de Física Corpuscular do experimento LHCb, “A explicação mais plausível para o novo estado encontrado, que chamamos de X(6900), é que é um tetraquark com dois quarks e dois antiquarks, todos charm. É exatamente isso que o torna particular, pois seria o primeiro a pertencer às duas categorias, quark-antiquark e quark-quark”.
“Também poderia ser um objeto compacto no qual os quatro quarks estão interagindo diretamente, enquanto no resto dos tetraquarks e pentaquarks, a questão fica em aberto se eles são realmente estados moleculares. Interpretar e entender bem sua natureza exigirá mais estudos e dados, mas o pico do sinal e sua assinatura na região de alto momento transversal são claros”, explica Martínez Vidal, que faz parte do comitê de publicações da colaboração do LHCb.
