Ao longo do século 20, os físicos descobriram inúmeras partículas elementares. A maior família dessas partículas são os chamados hádrons, partículas subatômicas que participam de interações fortes.
Esta ampla família de partículas contém vários subconjuntos de partículas com propriedades semelhantes. Em 1964, M. Gell-Mann e G. Zweig introduziram uma renomada teoria conhecida como "Modelo Quark", que delineava claramente a estrutura interna dos hádrons.

O Modelo Quark sugere que os hádrons consistem em três quarks (bárions) ou pares quark-antiquark (mésons). Enquanto muitos hádrons descobertos se enquadram em uma dessas duas categorias, o modelo também levanta a hipótese da existência de hádrons com estruturas mais complexas, como pentaquarks (ou seja, quatro quarks e um antiquark) e tetraquarks (ou seja, dois pares quark-antiquark).

Muitos estudos na década de 1970 teorizaram sobre os possíveis mecanismos subjacentes à formação dessas estruturas complexas de hádrons. Todos os hádrons descobertos até 2003 tinham estruturas que correspondem a um dos dois principais tipos descritos pelo Modelo Quark, mas algumas das partículas observadas após essa data são difíceis de explicar usando o modelo.

O experimento LHCb é um detector do Grande Colisor de Hádrons do CERN com o objetivo principal de revelar diferenças entre matéria e antimatéria estudando um tipo específico de partícula, conhecido como "quark da beleza". A Colaboração LHCb, o grande grupo de pesquisadores envolvidos no experimento, observou recentemente um tetraquark exótico com uma estrutura incomum, contendo dois quarks charm.

"A descoberta do quark charme pesado em 1974 (observação de mésons J/ψ em 1974, muitas vezes chamado de 'revolução de novembro') e quark beauty ainda mais pesado em 1977, levou ao reconhecimento de que tetraquarks consistindo de dois quarks pesados ​​e dois quarks leves antiquarks podem ter propriedades interessantes e incomuns", disse Vanya Belyaev, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. "No entanto, instalações experimentais adequadas para a busca e estudo de tais objetos 'duplos pesados' só apareceram no século 21, com o início do Grande Colisor de Hádrons no CERN."

No colisor do LHC, os físicos podem estudar colisões entre prótons em energias muito altas, que promovem a produção de inúmeras partículas pesadas e duplas pesadas. Em 2011 e 2012, a colaboração do LHCb analisou uma pequena fração dos dados coletados no LHC e descobriu que a probabilidade da produção simultânea de dois pares de quarks charme-anticharm nessas altas energias estava longe de ser baixa, sugerindo que o colisor poderia permitir a observação de objetos pesados ​​duplos.

"Com mais dados, em 2017, a colaboração do LHCb relatou uma observação do bárion de charme duplo Ξ_cc ⁺⁺ consistindo de dois quarks charm e quark u leve", explicou Belyaev. "Com essa observação ficou claro que se existem tetraquarks de charme duplo, sua observação seria apenas uma questão de tempo."

Seguindo a observação do LHCb do bárion de duplo charme Ξ_cc ⁺⁺ , M.Karliner e J.Rosner foram capazes de usar suas propriedades medidas para prever com precisão as propriedades que um tetraquark hipotético teria. Tal tetraquark consistiria em dois quarks charm, um antiquark u e um antiquark d. A partícula teórica foi nomeada T_cc ⁺ .

"As propriedades previstas do T_cc ⁺ tetraquark implica que a partícula se exibirá como um pico estreito na distribuição de massa para o par de mésons encantados D ^*+ e D ⁰ , onde D ^*+ e D ⁰ são mésons encantados convencionais que consistem em (quark charm e anti-quark d) e (quark charm e anti-u-quark)", disse Belyaev. "É interessante notar que a massa prevista do T_cc ⁺ tetraquark é muito próximo da soma das massas do D ^*+ e D ⁰ mésons, o que também significa que se a massa for apenas 1% menor que o valor previsto, as propriedades do T_cc ⁺ será muito diferente e não será visível no D ^*+ e D ⁰ espectro de massa. Se a massa for apenas 5% maior, o pico será largo (ou mesmo muito largo) e será muito difícil, quase impossível, observar experimentalmente."

Essencialmente, o trabalho de M. Karliner e J. Rosner apontou as condições exatas que seriam adequadas para observar o hipotético T_cc ⁺ tetraquark. Suas previsões foram, em última análise, o que guiou o trabalho recente da colaboração do LHCb.

Em seu estudo, a colaboração estudou cuidadosamente o espectro de massa do D ^*+ e D ⁰ pares de mésons, usando um conjunto de dados contendo todos os dados acumulados no colisor do LHC de 2011 a 2018. Em sua análise anterior, realizada em 2012, os pesquisadores usaram apenas 4% dos dados disponíveis hoje para estudar a região das massas relativamente grandes de D ^*+ e D ⁰ pares.

Em sua nova análise, eles focaram especificamente na região de massas mais próxima da soma do D ^*+ e D ⁰ massas de mésons. Nesta região, eles observaram mais de cem sinais T_cc ⁺ tetraquarks que formam um pico notavelmente estreito muito próximo da soma do D ^*+ e D ⁰ massas de mésons com uma significância estatística esmagadora.

"A significância estatística que observamos é tão alta que exclui totalmente que o sinal observado seja uma flutuação estatística", explicou Belyaev. "Desde o D ^*+ méson consiste em um quark charm e um quark anti-d, e D ⁰ méson consiste em quark charm e anti-u-quark, ele fixa o conteúdo mínimo de quarks daquele observado como dois quarks charm, anti-d-quar e anti-u-quark.

A colaboração do LHCb realizou vários testes para validar seus resultados. Todos esses testes confirmaram que o sinal observado estava associado a um T_cc ⁺ tetraquark. Finalmente, eles mediram a massa do T_cc ⁺ tetraquark e a largura de seu pico.

"De acordo com as leis da mecânica quântica, a largura do pico está relacionada ao tempo de vida inverso da partícula, e descobrimos que a largura corresponde a um tempo de vida muito longo, um dos maiores para as partículas que decaem devido a fortes interações e o mais longo de todos os hádrons exóticos encontrados até agora", disse Belyaev. "Em certo sentido, T_cc ⁺ é Matusalém dos hádrons exóticos."

Os pesquisadores realizaram recentemente um estudo de acompanhamento, apresentado em Nature Communications , explorando ainda mais as propriedades do T_cc ⁺ partícula. Neste artigo, eles mostraram que o padrão de decaimento é consistente com T_cc ⁺ →(D ^*+ →D ⁰ π ⁺ )D ⁰ . Eles também verificaram a distribuição da massa de D ⁰ D ⁰ e D ⁺ D ⁰ pares e descobrimos que os aprimoramentos nesses espectros são muito consistentes com os decaimentos T_cc ⁺ →(D ^*+ →D ⁰ π ⁺ )D ⁰ com π ⁺ ausente méson e T_cc ⁺ →(D ^*+ →D ⁺ π ⁰ /γ)D ⁰ com π ⁰ ausente /γ.

"Ainda não medimos os números quânticos do T_cc ⁺ partículas diretamente, mas oferecemos argumentos fortes em apoio ao spin total J e paridade P da partícula observada, que são os números quânticos mais importantes, são J ^P =1 ⁺ , em perfeito acordo com as expectativas", disse Belyaev. "Para investigar outro número quântico importante, isospin, estudamos espectros de massa para o D ⁰ D ⁰ , D ⁺ D ⁰ , D ⁺ D ⁺ , D ⁺ D ^*+ pares, procurando possíveis contribuições dos parceiros isospin hipotéticos. Eles não encontraram sinais sugerindo que o isospin do recém-observado T_cc ⁺ estado é 0, de acordo com as previsões."

O T_cc ⁺ tetraquark observado pela colaboração LHCb poderia ter pelo menos duas estruturas internas diferentes. Por exemplo, poderia ter uma "estrutura semelhante a moléculas", onde dois quarks charm são separados por uma grande distância, comparável ao tamanho do núcleo atômico, uma "estrutura compacta", onde a distância entre os dois quarks charm é significativamente menor ou uma combinação dos dois.

Em seu recente artigo de acompanhamento, a equipe usou um modelo sofisticado para determinar o que essa estrutura poderia ser e mediu as propriedades fundamentais do T_cc ⁺ estado, incluindo o comprimento de espalhamento, alcance efetivo e posição do pólo, que são importantes ao tentar determinar a estrutura interna de uma partícula. Os valores medidos pelos pesquisadores são compatíveis com uma estrutura tipo molecular, mas isso ainda não foi confirmado.

A observação da colaboração do LHCb do T_cc ⁺ tetraquark é uma contribuição significativa para o campo de alta energia e física de partículas. De fato, já provocou importantes discussões teóricas sobre a natureza do T_cc ⁺ , relacionados a estados semelhantes a moléculas, como o enigmático X (3872), e o problema geral com a existência dos "tetraquarks compactos".

Em seus estudos futuros, a colaboração planeja tentar determinar diretamente os números quânticos do novo estado, já que até agora eles só obtiveram evidências fortes, mas indiretas deles.

"É muito importante entender o mecanismo de produção do T_cc ⁺ estado em colisão próton-próton", acrescentou Belyaev. "Atualmente temos algumas observações contra-intuitivas - algumas distribuições, como momento transversal e multiplicidade de trilhas são realmente intrigantes e mais dados são necessários para a resolução. Será muito interessante comparar a produção do T_cc ⁺ e Ξ_cc ⁺⁺ partículas—aqui um certo nível de similaridade é esperado, mas também para comparar as propriedades, incluindo propriedades de produção, do T_cc ⁺⁺ partícula e uma partícula enigmática X(3872)." + Explore mais

LHCb descobre três novas partículas exóticas:o pentaquark e o primeiro par de tetraquarks

© 2022 Science X Network