O Grande Colisor de Hádrons descobriu três novas partículas exóticas!

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O novo pentaquark, ilustrado aqui como um par de hádrons padrão desarticuladamente ligados em uma estrutura semelhante a uma molécula, é composto de um quark charm e um antiquark charm e um quark up, um quark down e um quark strange. (Créditos: CERN)

Traduzido por Julio Batista
Original da CERN

A colaboração internacional do LHCb no Grande Colisor de Hádrons (LHC; sigla em inglês) observou três partículas nunca antes vistas: um novo tipo de “pentaquark” e o primeiro par de “tetraquarks”, que inclui um novo tipo de tetraquark. As descobertas, apresentadas na terça em um seminário da CERN, adicionam três novos membros exóticos à crescente lista de novos hádrons encontrados no LHC. Eles ajudarão os físicos a entender melhor como os quarks se unem nessas partículas compostas.

Quarks são partículas elementares e vêm em seis sabores: up, down, charm, strange, top e bottom. Eles geralmente se combinam em grupos de dois e três para formar hádrons, como os prótons e nêutrons que compõem os núcleos atômicos. Mais raramente, no entanto, eles também podem se combinar em partículas de quatro e cinco quarks, ou “tetraquarks” e “pentaquarks”. Esses hádrons exóticos foram previstos por teóricos ao mesmo tempo que os hádrons convencionais, cerca de seis décadas atrás, mas apenas recentemente, nos últimos 20 anos, eles foram observados pelo LHCb e outros experimentos.

A maioria dos hádrons exóticos descobertos nas últimas duas décadas são tetraquarks ou pentaquarks contendo um quark charm e um antiquark charm, com os dois ou três quarks restantes sendo um quark up, down ou strange ou seus antiquarks. Mas nos últimos dois anos, o LHCb descobriu diferentes tipos de hádrons exóticos. Há dois anos, a colaboração descobriu um tetraquark composto por dois quarks charm e dois antiquarks charm, e dois tetraquarks “open-charm” consistindo de um antiquark charm, um quark up, um quark down e um antiquark strange. E no ano passado encontrou o primeiro caso de um tetraquark “open-charm duplo” com dois quarks charm e um antiquark up e down. Open-charm significa que a partícula contém um quark charm sem um antiquark equivalente.

As descobertas anunciadas hoje pela colaboração do LHCb incluem novos tipos de hádrons exóticos. O primeiro tipo, observado em uma análise de “decaimentos” de mésons B com carga negativa, é um pentaquark formado por um quark charm e um antiquark charm e um quark up, um down e um quark strange. É o primeiro pentaquark encontrado a conter um quark strange. A descoberta tem uma significância estatística colossal de 15 desvios padrão, muito além dos 5 desvios padrão necessários para reivindicar a observação de uma partícula na física de partículas.

Os dois novos tetraquarks, ilustrados aqui como unidades únicas de quarks fortemente ligados. Uma das partículas é composta por um quark charm, um antiquark strange e um quark up e um antiquark down (à esquerda), e a outra é composta por um quark charm, um antiquark strange e um antiquark up e um quark down (à direita). (Créditos: CERN)

O segundo tipo é um tetraquark duplamente carregado eletricamente. É um tetraquark open-charm composto de um quark charm, um antiquark strange e um quark up e um antiquark down, e foi localizado junto com sua contraparte neutra em uma análise conjunta de decaimentos de mésons B carregados positivamente e neutros. Os novos tetraquarks, observados com significância estatística de 6,5 (partículas duplamente carregadas) e 8 (partículas neutras) desvios padrão, representam a primeira vez que um par de tetraquarks foi observado.

“Quanto mais análises realizamos, mais tipos de hádrons exóticos encontramos”, disse Niels Tuning, coordenador de física do LHCb. “Estamos testemunhando um período de descoberta semelhante à década de 1950, quando um ‘zoológico de partículas’ de hádrons começou a ser descoberto e acabou levando ao modelo de quarks de hádrons convencionais na década de 1960. Estamos criando o ‘zoológico de partículas 2.0’.”

“Encontrar novos tipos de tetraquarks e pentaquarks e medir suas propriedades ajudará os teóricos a desenvolver um modelo unificado de hádrons exóticos, cuja natureza exata é amplamente desconhecida”, disse Chris Parkes, porta-voz do LHCb. “Isso também ajudará a entender melhor os hádrons convencionais”.

Enquanto alguns modelos teóricos descrevem hádrons exóticos como unidades únicas de quarks fortemente ligados, outros modelos os consideram como pares de hádrons padrão desarticuladamente ligados em uma estrutura semelhante a uma molécula. Só o tempo e mais estudos de hádrons exóticos dirão se essas partículas são uma, outra ou ambas as coisas.