Físicos detectam partículas X misteriosas da ‘sopa primordial’ pela primeira vez

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Parte do detector Solenoide de Múon Compacto do Grande Colisor de Hádrons. Crédito: CERN.

Por Michelle Starr
Publicado na ScienceAlert

Uma partícula misteriosa que se acredita ter existido brevemente logo após o Big Bang foi detectada pela primeira vez na ‘sopa primordial’.

Especificamente, em um meio chamado plasma de quark-glúons, gerado no Grande Colisor de Hádrons pela colisão de íons de chumbo. Lá, em meio aos trilhões de partículas produzidas por essas colisões, os físicos conseguiram desvendar 100 partículas exóticas conhecidas como partículas X.

“Este é apenas o começo da história”, disse o físico Yen-Jie Lee, do MIT, e membro da colaboração internacional CMS com sede no CERN, na Suíça. “Mostramos que podemos encontrar um sinal. Nos próximos anos queremos usar o plasma de quark-glúons para sondar a estrutura interna da partícula X, o que pode mudar nossa visão de que tipo de material o Universo deve produzir”.

Meros momentos após o Big Bang, o Universo primitivo não era feito das mesmas coisas que vemos flutuando hoje. Em vez disso, por alguns milionésimos de segundo, foi preenchido com plasma superaquecido a trilhões de graus, consistindo de partículas elementares chamadas quarks e glúons. Esse é o plasma de quark-glúons.

Em menos tempo do que leva para piscar, o plasma esfriou e as partículas se juntaram para formar os prótons e nêutrons dos quais a matéria normal é construída hoje. Mas nesse breve intervalo de tempo, as partículas no plasma de quark-glúons colidiram, grudaram e se separaram novamente em diferentes configurações.

Uma dessas configurações é uma partícula tão misteriosa que nem sabemos como ela se configura. Esta é a partícula X, e só foi vista muito raramente e brevemente em colisores de partículas – muito brevemente para ser sondada.

Teoricamente, no entanto, as partículas X podem aparecer num período brevíssimo do plasma de quark-glúons que os físicos vêm criando em aceleradores de partículas há alguns anos. E isso pode proporcionar uma melhor oportunidade para entendê-los.

Durante a execução do Grande Colisor de Hádrons em 2018, átomos de chumbo carregados positivamente foram colididos em alta velocidade. Cada uma dessas cerca de 13 bilhões de colisões produziu uma chuva de dezenas de milhares de partículas. Essa é uma quantidade assustadoramente colossal de dados para filtrar.

“Teoricamente falando, há tantos quarks e glúons no plasma que a produção de partículas X deveria ser aumentada”, disse Lee. “Mas as pessoas pensaram que seria muito difícil procurá-las porque existem muitas outras partículas produzidas nesta sopa de quarks”.

Embora as partículas X tenham vida muito curta, quando se decaem, produzem uma chuva de partículas de menor massa. Para agilizar o processo de análise de dados, a equipe desenvolveu um algoritmo para reconhecer os padrões característicos do decaimento das partículas X. Em seguida, eles alimentaram os dados do LHC de 2018 em seu software.

O algoritmo identificou um sinal em uma massa específica que indicou a presença de cerca de 100 partículas X nos dados. Este é um excelente começo.

“É quase impensável que possamos extrair essas 100 partículas desse enorme conjunto de dados”, disse Lee.

Neste ponto, os dados são insuficientes para saber mais sobre a estrutura da partícula X, mas a descoberta pode nos aproximar disso. Agora que sabemos como encontrar a assinatura da partícula X, desvendá-la em conjuntos de dados futuros deve ser muito mais fácil. Por sua vez, quanto mais dados tivermos disponíveis, mais fácil será compreendê-los.

Prótons e nêutrons são compostos de três quarks. Os físicos acreditam que as partículas X podem ser feitas de quatro – uma partícula exótica e com ligações extremamente fortes, conhecida como tetraquark, ou um novo tipo de partícula fracamente ligada, feita de dois mésons, cada um contendo dois quarks. Se for a primeira, por ter ligações mais fortes, decairá mais lentamente do que a última.

“Atualmente, nossos dados são consistentes com ambos porque ainda não temos estatísticas suficientes. Nos próximos anos, coletaremos muito mais dados para que possamos separar esses dois cenários”, disse Lee. “Isso ampliará nossa visão dos tipos de partículas que foram produzidas em abundância no início do Universo”.

A pesquisa foi publicada na Physical Review Letters.