A colaboração do LHCb no CERN anunciou a descoberta de uma nova partícula exótica:o chamado "tetraquark". O artigo de mais de 800 autores ainda não foi avaliado por outros cientistas em um processo denominado "revisão por pares", mas foi apresentado em um seminário. Ele também atende ao limite estatístico usual para alegar a descoberta de uma nova partícula.

A descoberta marca um grande avanço em uma pesquisa de quase 20 anos, realizado em laboratórios de física de partículas em todo o mundo.

Para entender o que é um tetraquark e por que a descoberta é importante, precisamos voltar no tempo até 1964, quando a física de partículas estava no meio de uma revolução. Beatlemania tinha acabado de explodir, a guerra do Vietnã estava sendo travada e dois jovens radioastrônomos em Nova Jersey tinham acabado de descobrir a evidência mais forte de todos os tempos para a teoria do Big Bang.

Do outro lado dos EUA, no California Institute of Technology, e do outro lado do Atlântico, no CERN na Suíça, dois físicos de partículas estavam publicando dois artigos independentes sobre o mesmo assunto. Ambos tratavam de como dar sentido ao enorme número de novas partículas descobertas nas últimas duas décadas.

Muitos físicos lutaram para aceitar que tantas partículas elementares poderiam existir no universo, no que ficou conhecido como "zoológico de partículas". George Zweig, do Caltech, e Murray Gell-Mann, do CERN, encontraram a mesma solução. E se todas essas partículas diferentes fossem realmente feitas de partículas menores, blocos de construção desconhecidos, da mesma forma que os cento e poucos elementos da tabela periódica são feitos de prótons, nêutrons e elétrons? Zweig chamou esses blocos de construção de "ases", enquanto Gell-Mann escolheu o termo que ainda usamos hoje:"quarks".

Agora sabemos que existem seis tipos diferentes de quarks - up, baixa, charme, estranho, principal, fundo. Essas partículas também têm seus respectivos companheiros de antimatéria com carga oposta, que podem ser agrupados de acordo com regras simples baseadas em simetrias. Uma partícula feita de um quark e um antiquark é chamada de "meson"; enquanto três quarks unidos formam "bárions". Os familiares prótons e nêutrons que constituem o núcleo atômico são exemplos de bárions.

Esse esquema de classificação descreveu lindamente o zoológico de partículas da década de 1960. Contudo, mesmo em seu artigo original, Gell-Mann percebeu que outras combinações de quarks podem ser possíveis. Por exemplo, dois quarks e dois antiquarks podem se juntar para formar um "tetraquark", enquanto quatro quarks e um antiquark fariam um "pentaquark".

Partículas exóticas

Avançando para 2003, quando o experimento Belle no laboratório KEK no Japão relatou a observação de um novo méson, chamado X (3872), que mostrou propriedades "exóticas" bastante diferentes dos mésons comuns.

Nos anos seguintes, várias novas partículas exóticas foram descobertas, e os físicos começaram a perceber que a maioria dessas partículas só poderia ser explicada com sucesso se fossem tetraquarks feitos de quatro quarks em vez de dois. Então, em 2015, o experimento LHCb no CERN descobriu as primeiras partículas de pentaquark feitas de cinco quarks.

Todos os tetraquarks e pentaquarks que foram descobertos até agora contêm dois quarks encantos, que são relativamente pesados, e dois ou três quarks leves - up, para baixo ou estranho. Essa configuração particular é, de fato, a mais fácil de descobrir em experimentos.

Mas o mais recente tetraquark descoberto pelo LHCb, que foi apelidado de X (6900), é composto por quatro quarks charme. Produzido em colisões de prótons de alta energia no Grande Colisor de Hádrons, o novo tetraquark foi observado por meio de seu decaimento em pares de partículas bem conhecidas chamadas mésons J / psi, cada um feito de um quark charme e um antiquark charme. Isso o torna particularmente interessante, pois não é apenas composto inteiramente de quarks pesados, mas também quatro quarks do mesmo tipo - tornando-o um espécime único para testar nossa compreensão sobre como os quarks se ligam.

Por enquanto, existem dois modelos diferentes que podem explicar como os quarks se ligam:pode ser que eles estejam fortemente ligados, criando o que chamamos de tetraquark compacto. Ou pode ser que os quarks estejam dispostos para formar dois mésons, que estão grudados frouxamente em uma "molécula".

Moléculas comuns são feitas de átomos unidos pela força eletromagnética, que atua entre núcleos carregados positivamente e elétrons carregados negativamente. Mas os quarks em um méson ou bárion são conectados por uma força diferente, a "força forte". É realmente fascinante que átomos e quarks, seguindo regras muito diferentes, ambos podem formar objetos complexos muito semelhantes.

A nova partícula parece ser mais consistente com ser um tetraquark compacto em vez de uma molécula de dois mésons, qual foi a melhor explicação para as descobertas anteriores. Isso o torna incomum, uma vez que permitirá aos físicos estudar este novo mecanismo de ligação em detalhes. Também implica a existência de outros tetraquarks compactos pesados.

Janela para o micro-cosmos

A forte força operando entre os quarks obedece a regras muito complicadas - tão complicadas, na verdade, que normalmente a única maneira de calcular seus efeitos é usar aproximações e supercomputadores.

A natureza única do X (6900) ajudará a entender como melhorar a precisão dessas aproximações, para que no futuro possamos descrever outros, mecanismos mais complexos da física que não estão ao nosso alcance hoje.

Desde a descoberta do X (3872), o estudo de partículas exóticas prosperou, com centenas de físicos teóricos e experimentais trabalhando juntos para lançar alguma luz sobre este novo campo empolgante. A descoberta do novo tetraquark é um grande salto em frente, e é uma indicação de que ainda existem muitas novas partículas exóticas por aí, esperando que alguém os revele.

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.