A distribuição de massa dupla J/ψ medida e os resultados do ajuste com três picos de sinal ("BW") sobrepostos em um fundo contínuo, incluindo os efeitos de interferência quântica ("BWs interferentes") entre os três estados. Crédito:Colaboração CMS. Durante mais de uma década, a Colaboração CMS, uma grande equipa de investigadores baseados em diferentes institutos em todo o mundo, tem analisado dados recolhidos no Compact Muon Solenoid, um detector de partículas de uso geral no Large Hadron Collider (LHC) do CERN. Esta colaboração científica internacional em grande escala tem tentado observar vários fenómenos físicos indescritíveis, incluindo partículas exóticas e candidatos à matéria escura.
Em um artigo recente, publicado em Physical Review Letters , a Colaboração CMS relatou três estruturas exóticas de quarks totalmente pesados. Estas estruturas, que parecem fazer parte de uma família comum, poderão abrir novos caminhos interessantes para a investigação em física de partículas.
“Quase todas as coisas que experimentamos em nossas vidas diárias são compostas de três partículas:elétrons, prótons e nêutrons”, disse o professor Kai Yi da Universidade Normal de Nanjing e da Universidade de Tsinghua, co-autor do artigo, ao Phys.org. . "Os elétrons, até onde sabemos, são fundamentais, mas os outros dois são compostos de trigêmeos de coisas chamadas quarks. O modelo de partículas de quark foi proposto em 1964, e no início da década de 1970 havia evidências convincentes de sua correção."
O modelo introduzido em 1964 descreve os quarks como partículas intimamente ligadas, tão fortemente conectadas que não podem existir sozinhas e, em vez disso, são observadas apenas como tripletos de quarks ligados (qqq) ou quark-antiquark (qq
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) dupletos. Os físicos identificaram um grande número desses sistemas de quarks intimamente ligados, também conhecidos como “hádrons”.
“Existe um grande número desses sistemas de quarks, mas, além do próton e do nêutron, eles têm apenas uma existência passageira”, explicou o professor Yi. "A teoria dos quarks de 1964 tinha uma lacuna, que talvez, apenas talvez, quartetos e quintetos de quarks também pudessem formar partículas, que são chamadas de hádrons 'exóticos'. Os físicos brincaram com essa possibilidade durante décadas, mas era uma espécie de margem atividade."
Durante muito tempo, a observação de hádrons exóticos pareceu ser um objetivo de pesquisa desafiador e elusivo. Uma razão para isto é que as ferramentas experimentais disponíveis apenas permitiram aos físicos procurar sistemas exóticos que sejam totalmente compostos por quarks leves (u, d, s), que são difíceis de discernir dos hádrons normais.
"À medida que colisores de partículas mais poderosos se tornaram disponíveis, os sistemas que incorporavam quarks (c, b) mais pesados passaram a ser cada vez melhor visualizados - e quanto mais pesado o quark, e quanto mais houver, mais fácil se tornou a compreensão do sistema", disse o Prof. "Um único quark charm (c) tem uma massa cerca de uma vez e meia a de um próton, e um quark bottom (b) é cerca de cinco vezes mais pesado que um próton, enquanto os quarks u e d individuais são menores que cerca de 0,5% da massa de um próton."
Em 2003, um artigo da Belle Collaboration no Japão despertou novo interesse em sistemas exóticos, ao revelar X(3872), que foi proposto como um possível cc
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qq
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sistema (ou seja, um sistema contendo dois quarks pesados). Isto abriu caminho para novos estudos que introduziram outros candidatos exóticos a hádrons contendo charm e até quarks bottom, sugerindo a existência de sistemas tetra e penta-quark.
Apesar destes esforços, a estrutura interna dos hádrons exóticos permanece um mistério, uma vez que os sistemas relatados incluem quarks leves e são, portanto, inerentemente difíceis de modelar. A observação de sistemas constituídos exclusivamente por quarks pesados poderia, assim, abrir uma nova janela para estruturas exóticas, permitindo aos físicos compreender melhor as fortes interações entre os quarks.
“O problema com os quarks pesados é que eles são difíceis de produzir”, disse o professor Yi. "Um passo nessa direção é encontrar sistemas onde os quarks u ou d sejam substituídos pelo quark s. Embora ainda seja considerado um quark leve, o quark s tem cerca de 40 vezes a massa do quark u. Em 2009, isso foi conseguido com a descoberta de Y(4140), agora chamado chi_c(4140), que é candidato a cc
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ss
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tetra-quark (ou seja, o primeiro candidato exótico sem nenhum dos quarks muito leves (u, d))."
Uma exibição de evento mostrando um candidato X(6600) decaindo para um par de mésons J/ψ, seguido por seus subsequentes decaimentos em pares de partículas de múons semelhantes a elétrons. Os pares de linhas vermelhas e azuis são os rastros dos pares de múons dos dois candidatos J/ψ. Crédito:Colaboração CMS.
A descoberta de chi_c(4140) encorajou mais equipes de pesquisa a buscar estruturas compostas inteiramente por quarks c e d. Depois que a existência desse sistema foi confirmada, o CMS também começou a procurar sistemas que decaíssem em pares de partículas J/psi ou pares de partículas Upsilon.
"O J/psi é cc
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estado vinculado, o Upsilon a bb
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estado e, portanto, algo decaindo nesses pares de partículas seria um candidato notável para um tetra-quark totalmente pesado, "Prof. Yi disse." Usando dados coletados em 2011 e 2012 como parte do LHC Run I, o CMS encontrou uma dica de duas estruturas J/psi-J/psi, mas não havia dados suficientes para fazer uma afirmação convincente na época."
Em 2019, a colaboração CMS retomou a sua busca por sistemas de quarks totalmente pesados decaindo em pares de partículas J/psi ou Upsilon, desta vez utilizando os dados recolhidos no LHC do CERN entre 2016 e 2018 (Run II). No entanto, a primeira destas partículas, denominada X(6900), foi finalmente observada por outro esforço de investigação no CERN, nomeadamente a experiência LHCb.
“O experimento LHCb foi o primeiro a sair com seu relatório do X (6900) decaindo para J/psi-J/psi em 2020”, disse o Prof. "Mesmo assim, o CMS continuou seu trabalho e fomos finalmente recompensados pela identificação de três estruturas J/psi-J/psi:confirmando X(6900) e relatando duas novas, denominadas X(6600) e X(7100)."
Como parte deste estudo mais recente, a equipe do CMS procurou especificamente pares de mésons J/Psi. Estas partículas são uma sonda poderosa para sistemas de quarks totalmente pesados, pois podem ser claramente identificadas dentro do colisor do LHC, onde o ambiente é complexo e marcado por colisões pp de alta intensidade.
"Para este estudo, a equipe de análise projetou uma estratégia de busca na Execução II com base nas informações da Execução I sem realmente olhar os dados. Essa abordagem, chamada de análise 'cega', é muito eficaz para evitar possíveis vieses, como enganar-se em aparentemente encontrando o que se pensa que deveria ou deseja encontrar. As três estruturas surgiram depois que os novos dados foram finalmente revelados", explicou o Prof. Yi.
Usando esta estratégia de análise cega, o Prof. Yi e seus colaboradores do CMS foram capazes de confirmar a existência da estrutura previamente detectada pela colaboração LHCb, ao mesmo tempo que revelaram duas estruturas inteiramente novas. Estas três estruturas parecem fazer parte da mesma família de sistemas de quarks totalmente pesados.
"Embora possa não ser a única interpretação possível, um modelo em que as três estruturas interferem mecanicamente entre si descreve muito bem os dados do CMS", disse o Prof. "Isto requer que todos os três tenham as mesmas propriedades quânticas e sugere ainda que estes estados são uma família de tetraquarks excitados."
As três estruturas de quarks totalmente pesadas relatadas pela colaboração CMS oferecem novas pistas importantes sobre a natureza e a estrutura interna dos hádrons exóticos. Especificamente, eles identificam um novo regime ao qual os físicos podem aplicar a teoria das interações fortes:o regime da “cromodinâmica quântica”.
“O CMS está agora se preparando para melhorar suas medições das propriedades desses estados”, acrescentou o Prof. "Os novos dados apresentam uma nova e excitante possibilidade, a de procurar possíveis estados exóticos que sejam compostos puramente por quarks bottom ainda mais pesados."
