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Experimento do CERN descobre novo tipo de tetraquark

Publicado no Servicio de Información y Noticias Científicas

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.

Jhordan Santiago

Jhordan Santiago

Graduando em física pela UFCG.