Quantas novas partículas o LHC descobriu? A descoberta mais conhecida é, obviamente, a do bóson de Higgs. Menos conhecido é o fato de que, nos últimos 10 anos, os experimentos do LHC também encontraram mais de 50 novas partículas chamadas hadrons. Coincidentemente, o número 50 aparece no contexto de hádrons duas vezes, já que 2021 marca o 50º aniversário dos aceleradores de hádrons:em 27 de janeiro de 1971, dois feixes de prótons colidiram pela primeira vez no acelerador de anéis de armazenamento de interseção do CERN, tornando-o o primeiro acelerador da história a produzir colisões entre dois feixes de hadrons em contra-rotação.

Então, quais são esses novos hádrons, qual número 59 no total? Vamos começar do início:os hádrons não são partículas elementares - os físicos sabem que desde 1964, quando Murray Gell-Mann e George Zweig propuseram independentemente o que é conhecido hoje como o modelo quark. Este modelo estabeleceu os hadrões como partículas compostas feitas de novos tipos de partículas elementares chamadas quarks. Mas, da mesma forma que os pesquisadores ainda estão descobrindo novos isótopos mais de 150 anos depois que Dmitri Mendeleev estabeleceu a tabela periódica, estudos de possíveis estados compostos formados por quarks ainda são um campo ativo na física de partículas.

A razão para isso está na cromodinâmica quântica, ou QCD, a teoria que descreve a forte interação que mantém os quarks juntos dentro dos hádrons. Essa interação tem vários recursos curiosos, incluindo o fato de que a força da interação não diminui com a distância, levando a uma propriedade chamada confinamento de cores, que proíbe a existência de quarks livres fora dos hádrons. Essas características tornam essa teoria matematicamente muito desafiadora; na verdade, o próprio confinamento de cores não foi comprovado analiticamente até esta data. E ainda não temos como prever exatamente quais combinações de quarks podem formar hádrons.

O que sabemos sobre os hádrons então? Na década de 1960, já havia mais de 100 variedades conhecidas de hádrons, que foram descobertos em experimentos de aceleradores e raios cósmicos. O modelo de quark permitiu aos físicos descrever todo o "zoológico" como diferentes estados compostos de apenas três quarks diferentes:para cima, baixo e estranho. Todos os hádrons conhecidos podem ser descritos como consistindo em três quarks (formando bárions) ou como pares quark-antiquark (formando mésons). Mas a teoria também previu outros arranjos de quark possíveis. Já no artigo original de Gell-Mann de 1964 sobre quarks, a noção de partículas contendo mais de três quarks apareceu como uma possibilidade. Hoje sabemos que tais partículas existem, mas levou várias décadas para confirmar em experimentos os primeiros quatro quark e cinco hádrons quark, ou tetraquarks e pentaquarks.

Uma lista completa dos 59 novos hádrons encontrados no LHC é mostrada na imagem abaixo. Dessas partículas, alguns são pentaquarks, alguns são tetraquarks e alguns são novos estados de alta energia (excitados) de bárions e mésons. A descoberta dessas novas partículas, junto com medições de suas propriedades, continua a fornecer informações importantes para testar os limites do modelo de quark. Isso, por sua vez, permite que os pesquisadores aprofundem sua compreensão da forte interação, para verificar previsões teóricas e ajustar modelos. Isso é especialmente importante para a pesquisa feita no Large Hadron Collider, já que a interação forte é responsável pela grande maioria do que acontece quando os hádrons colidem. Quanto melhor podemos entender a forte interação, quanto mais precisamente pudermos modelar essas colisões, melhores serão nossas chances de ver pequenos desvios das expectativas que poderiam sugerir possíveis novos fenômenos da física.

As descobertas de hadron dos experimentos do LHC continuam chegando, principalmente do LHCb, que é particularmente adequado para estudar partículas contendo quarks pesados. O primeiro hadron descoberto no LHC, χb (3P), foi descoberto pela ATLAS, e os mais recentes incluem um novo bárion estranho de beleza excitada observado pelo CMS e quatro tetraquarks detectados pelo LHCb.