Tomasz Skwarnicki, professor de física no College of Arts and Sciences da Syracuse University, descobriu novas informações sobre uma classe de partículas chamadas pentaquarks. Suas descobertas podem levar a uma nova compreensão da estrutura da matéria no universo.

Assistido por Liming Zhang, um professor associado da Universidade Tsinghua em Pequim, Skwarnicki analisou dados do experimento de beleza do Large Hadron Collider (LHCb) no Large Hadron Collider (LHC) do CERN na Suíça. O físico experimental descobriu evidências de três pentaquarks nunca antes vistos, cada um dividido em duas partes.

"Até agora, pensamos que um pentaquark era feito de cinco partículas elementares [chamadas quarks], presos juntos. Nossas descobertas provam o contrário, "diz Skwarnicki, um membro da American Physical Society.

Skwarnicki faz parte de uma equipe de pesquisadores, incluindo membros do Grupo de Física de Alta Energia (HEP) de Syracuse, estudando partículas e forças fundamentais no Universo. A maior parte de seu trabalho ocorre no laboratório do CERN, cujo LHC é o maior, detector de partículas mais poderoso do mundo.

É dentro do LHC que os prótons são lançados juntos em altas energias, apenas para colidir um com o outro. O que está dentro das partículas, quando aberto, ajuda os cientistas a investigar os mistérios do universo fundamental.

Estudando colisões de prótons de 2015-18, Skwarnicki confirmou a existência de subestrutura dentro de um pentaquark. O sorteio, ele diz, era um trio de picos estreitos nos dados cinemáticos do LHC.

Cada pico se refere a um determinado pentaquark - especificamente, um dividido em duas partes:um bárion, contendo três quarks, e um meson, com dois quarks.

Um pico também sugere ressonância, um fenômeno de curta duração durante o decaimento das partículas, em que uma partícula instável se transforma em várias outras. A ressonância acontece quando os prótons (um tipo de bárion) se encontram - ou, mais precisamente, deslizam um no outro - durante uma colisão do LHC.

O que é único em cada um desses três pentaquarks é que sua massa é ligeiramente menor do que a soma de suas partes - neste caso, as massas do barião e do mesão. "O pentaquark não se deteriorou com sua facilidade usual, processo de desmoronamento, "Skwarnicki diz." Em vez disso, decaiu ao reorganizar lenta e laboriosamente seus quarks, formando uma ressonância estreita. "

Entender como as partículas interagem e se ligam é a especialidade de Skwarnicki. Em 2015, ele e depois o Ph.D. estudante Nathan Jurik G'16, Os distintos professores Sheldon Stone e Zhang chegaram às manchetes com seu papel na detecção de um pentaquark pelo LHCb. Teorizado meio século antes, sua descoberta baseou-se nos dados do LHC de 2011-12.

Os dados mais recentes do LHCb utilizaram um feixe de energia quase duas vezes mais forte. Este método, combinado com critérios de seleção de dados mais refinados, produziu uma gama maior de colisões de prótons.

"Também nos deu 10 vezes mais dados e nos permitiu observar as estruturas do pentaquark com mais clareza do que antes, "Skwarnicki diz." O que pensávamos ser apenas um pentaquark acabou por ser dois estreitos, com pouco espaço entre eles. "

Os dados também revelaram um terceiro pentaquark "companheiro". "Todos os três pentaquarks tinham o mesmo padrão - um bárion com uma subestrutura de méson. Suas massas estavam abaixo dos limites apropriados de méson-barião, " ele adiciona.

A descoberta de Skwarnicki ocorreu relativamente rápido, considerando que o LHCb parou de coletar dados há menos de três meses.

Eric Sedore, CIO associado para serviços de infraestrutura em Serviços de Tecnologia da Informação (ITS), desempenhou um papel de apoio. Sua equipe de computação de pesquisa forneceu o poder de fogo do computador necessário para Skwarnicki atingir seus objetivos.

Além de Skwarnicki e Stone, HEP inclui os professores Marina Artuso e Steven Blusk e o professor assistente Matthew Rudolph. O grupo atualmente está construindo um aparelho no campus chamado Upstream Tracker (UT), sendo enviado e instalado no CERN no próximo ano como parte de uma grande atualização do LHCb.

"O UT aumentará significativamente o LHCb, que é composto por cerca de 10 sub-detectores diferentes. Tenho esperança de que o UT levará a mais descobertas, "diz Skwarnicki, acrescentando que Artuso e Stone são o líder e deputado do Projeto UT, respectivamente.

Skwarnicki está animado com o LHCb porque ajuda a explicar como os menores constituintes da matéria se comportam. Sua última descoberta, por exemplo, prova que pentaquarks são construídos da mesma forma que prótons e nêutrons, que estão ligados no núcleo de um átomo.

"Pentaquarks podem não desempenhar um papel significativo na matéria de que somos feitos, " ele diz, "mas sua existência pode afetar significativamente nossos modelos da matéria encontrados em outras partes do universo, como estrelas de nêutrons. "