Após 50 anos, físicos confirmam a existência de uma quasipartícula elusiva

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Experimento TOTEM. Crédito: CERN.

Por David Nield
Publicado na ScienceAlert

Por meio de um trabalho meticuloso, os cientistas encontraram evidências de uma quasipartícula que foi inicialmente imaginada como uma hipótese há quase 50 anos: o odderon.

O odderon é uma combinação de partículas subatômicas em vez de uma nova partícula fundamental – mas age como esta última em alguns aspectos, e a maneira como se encaixa nos blocos de construção fundamentais da matéria torna a descoberta um grande momento para os físicos.

O odderon foi finalmente revelado por meio de uma análise detalhada de dois grupos de dados, atingindo a chance de 5 sigma de probabilidade que os pesquisadores usam como limite.

“Isso significa que, se o odderon não existisse, a probabilidade de observarmos um efeito como esse nos dados por acaso seria de 1 em 3,5 milhões”, disse o físico Cristian Baldenegro, da Universidade do Kansas (EUA).

Partículas como prótons e nêutrons são formadas por partículas subatômicas menores: em poucas palavras, os quarks são “colados” aos glúons portadores de força. Colidir prótons uns aos outros em um acelerador de partículas nos dá a oportunidade de vislumbrar suas entranhas carregadas de glúons.

Tradução da imagem: O Modelo Padrão da Física de Partículas (The Standard Model of Particle Physics), mostrando os férmions [partículas de máteria] (fermions [matter particles]), que incluem os quarks com seus sabores up, down, strange, charm, bottom, e top, além dos léptons (leptons), com o elétron (electron), múon (muon), tau, o neutrino de elétron (electron neutrino), o elétron de muón (muon neutrino) e o neutrino de tau (tau neutrino); ao lado mostrando os bósons [partículas que carregam força] (bosons [force carriers]), entre eles o gluón (gluon), o fóton (photon), os Bósons W e Z (W boson/Z boson) e o bóson de Higgs. Crédito: ScienceAlert.

Quando dois prótons são esmagados, mas de alguma forma sobrevivem ao encontro, essa interação – um tipo de dispersão elástica – pode ser explicada pela troca de prótons por um número par ou ímpar de glúons.

Se esse número for par, é o efeito de uma quasipartícula chamada pomeron; a outra opção – que parece acontecer com muito menos frequência – é uma quasipartícula chamada odderon, um composto com um número ímpar de glúons.

Até agora, os cientistas foram incapazes de detectar odderons em experimentos, embora a física quântica teórica sugerisse que eles deveriam existir.

Aqui, os pesquisadores analisaram os números de um vasto conjunto de dados do acelerador de partículas Grande Colisor de Hádrons (LHC) do CERN na Suíça e do acelerador de partículas Tevatron do Fermilab nos Estados Unidos.

Milhões de pontos de dados foram estudados para comparar colisões próton-próton ou próton-antipróton, até que os cientistas se convenceram de que haviam visto resultados – um composto gluônico ímpar – que só seria possível se o odderon existisse.

A comparação entre os dois tipos de colisões revelou uma diferença distinta na energia sendo trocada – essa diferença é uma evidência do odderon. A equipe então combinou medições mais precisas de um experimento anterior em 2018 que descartou algumas das incertezas, permitindo-lhes alcançar o alto nível de certeza na detecção pela primeira vez.

Essa descoberta também ajuda a preencher algumas lacunas na teoria moderna da cromodinâmica quântica ou QCD, a hipótese de como os quarks e os glúons interagem no menor nível. Estamos falando sobre o estado da matéria nas menores escalas conhecidas e de como tudo no Universo é formado.

Além disso, a tecnologia especializada desenvolvida para ajudar a rastrear o odderon pode ter uma variedade de outros usos no futuro, dizem os pesquisadores: em instrumentos médicos, por exemplo.

Embora essa pesquisa não responda a todas as perguntas sobre o odderon e como ele funciona, é a melhor prova de que ele existe. Futuros experimentos com aceleradores de partículas serão capazes de adicionar mais confirmações e, sem dúvida, levantar mais algumas questões.

“Pesquisar sinais do odderon é uma tarefa muito diferente em comparação com o que é feito tradicionalmente na física de partículas”, disse Baldenegro.

“Por exemplo, ao procurar o bóson de Higgs ou o quark top, procura-se um ‘salto’ sobre uma distribuição suave de massa invariante, o que já é muito desafiador. O odderon, por outro lado, tem sinais muito mais sutis. Isso tornou a busca ao odderon muito mais desafiadora”.

O estudo foi submetido para publicação na Physical Review Letters e está disponível como uma pré-publicação no arXiv; uma pesquisa relacionada foi publicada na European Journal Physical C.