Nova partícula de matéria exótica, um tetraquark, descoberta pelo CERN

A partícula, que foi chamada de X(2900), foi detectada analisando todos os dados que o LHCb registrou até agora de colisões no Grande Colisor de Hádrons do CERN
| Oton de Oliveira | Ética
135 Visitas

Uma impressão artística de Tcc+, um tetraquark composto de dois quarks de charme e um antiquark para cima e para baixo. Crédito: CERN

Hoje, o experimento LHCb no CERN apresenta uma nova descoberta na European Physical Society Conference on High Energy Physics (EPS-HEP). A nova partícula descoberta pelo LHCb, rotulada como Tcc+, é um tetraquark — um hádron exótico contendo dois quarks e dois antiquarks. É a partícula de matéria exótica mais longa já descoberta, e a primeira a conter dois quarks pesados e dois antiquarks leves.


Uma impressão artística de Tcc+, um tetraquark composto de dois quarks de charme e um antiquark para cima e para baixo. Crédito: CERN

Hoje, o experimento LHCb no CERN apresenta uma nova descoberta na European Physical Society Conference on High Energy Physics (EPS-HEP). A nova partícula descoberta pelo LHCb, rotulada como Tcc+, é um tetraquark — um hádron exótico contendo dois quarks e dois antiquarks. É a partícula de matéria exótica mais longa já descoberta, e a primeira a conter dois quarks pesados e dois antiquarks leves.

Quarks são os blocos fundamentais de construção a partir dos quais a matéria é construída. Eles se combinam para formar hadrons, ou seja, bárions, como o próton e o nêutron, que consistem em três quarks, e messões, que são formados como pares quark-antiquark. Nos últimos anos, vários dos chamados hádrons exóticos — partículas com quatro ou cinco quarks, em vez dos dois ou três convencionais — foram encontrados. A descoberta de hoje é de um háron exótico particularmente único, um hádron exótico exótico, se quiser.

A nova partícula contém dois quarks de charme e um antiquark para cima e para baixo. Vários tetraquarks foram descobertos nos últimos anos (incluindo um com dois quarks de charme e dois antiquarks de charme), mas este é o primeiro que contém dois quarks de charme, sem antiquarks de charme para equilibrá-los. Os físicos chamam isso de "open-charm" (neste caso, "open-charm duplo"). Partículas contendo um quark charme e um antiquark charme têm "charme oculto" — o número quântico charme para toda a partícula soma zero, assim como uma carga elétrica positiva e negativa faria. Aqui o número quântico charme soma dois, então ele tem o dobro do charme!

O conteúdo quark de Tcc+, tem outras características interessantes além de ser open-charm. É a primeira partícula a ser encontrada que pertence a uma classe de tetraquarks com dois quarks pesados e dois antiquarks leves. Tais partículas se decompõem transformando-se em um par de messões, cada um formado por um dos quarks pesados e um dos antiquarks leves. De acordo com algumas previsões teóricas, a massa de tetraquarks desse tipo deve estar muito próxima da soma das massas dos dois mesons. Tal proximidade em massa torna a decadência "difícil", resultando em uma vida mais longa da partícula, e de fato Tcc+, é o hadron exótico mais longevo encontrado até hoje.

A descoberta abre caminho para uma busca por partículas mais pesadas do mesmo tipo, com um ou dois quarks de charme substituídos por quarks inferiores. A partícula com dois quarks inferiores é especialmente interessante: de acordo com os cálculos, sua massa deve ser menor do que a soma das massas de qualquer par de messões B. Isso tornaria a decadência não apenas improvável, mas realmente proibida: a partícula não seria capaz de decair através da forte interação e teria que fazê-lo através da fraca interação, o que tornaria sua vida inteira várias ordens de magnitude mais longas do que qualquer hádron exótico previamente observado.

O novo Tcc+, tetraquark é um alvo sedutor para estudos mais aprofundado. As partículas em que se decomem são relativamente fáceis de detectar e, em combinação com a pequena quantidade de energia disponível na decadência, isso leva a uma excelente precisão em sua massa e permite o estudo dos números quânticos desta partícula fascinante. Isso, por sua vez, pode fornecer um teste rigoroso para modelos teóricos existentes e poderia até mesmo permitir que efeitos anteriormente inalcançáveis sejam sondados.

A banda associada ao novo tetraquark se transformando em D- e um K em uma massa de 2,9 GeVc+2. Crédito: Colaboração HCb/CERN

A banda associada ao novo tetraquark se transformando em D- e um K em uma massa de 2,9 GeVc+2. Crédito: Colaboração HCb/CERN


O experimento LHCb no CERN desenvolveu uma tendência para encontrar combinações exóticas de quarks, as partículas elementares que se unem para nos dar partículas compostas, como o próton e nêutron mais familiar. Em particular, o LHCb observou vários tetraquarks, que, como o nome sugere, são feitos de quatro quarks (ou melhor, dois quarks e dois antiquarks). Observar essas partículas incomuns ajuda os cientistas a avançar nosso conhecimento sobre a força forte, uma das quatro forças fundamentais conhecidas no universo. Em um seminário do CERN realizado virtualmente em 12 de agosto, o LHCb anunciou os primeiros sinais de um tipo totalmente novo de tetraquark com uma massa de 2,9 GeV/c²: a primeira partícula desse tipo com apenas um quark de charme.

Previsto pela primeira vez para existir em 1964, os cientistas observaram seis tipos de quarks (e seus homólogos antiquark) em laboratório: para cima, para baixo, charme, estranho, superior e inferior. Como os quarks não podem existir livremente, eles se agrupam para formar partículas compostas: três quarks ou três antiquarks formam "bárions" como o próton, enquanto um quark e um antiquark formam "mésons".

O detector LHCb do Grande Colisor de Hádrons (LHC) é dedicado ao estudo de mesons B, que contêm um fundo ou um anti-fundo. Pouco depois de serem produzidos em colisões próton-prótons no LHC, esses mesons pesados se transformam — ou "decadência", em uma variedade de partículas mais leves, que podem sofrer mais transformações. Os cientistas do LHCb observaram sinais do novo tetraquark em uma dessas decadências, em que o meson B carregado positivamente se transforma em um meson D positivo, um mesão D negativo e um kaon positivo: B+→D+D−K+. No total, eles estudaram cerca de 1300 candidatos para essa transformação particular em todos os dados que o detector LHCb registrou até agora.

O modelo de quark bem estabelecido prevê que alguns dos DD+- pares nessa transformação podem ser o resultado de partículas intermediárias — como o meson ψ(3770) — que só se manifestam momentaneamente: B+→ψ(3770)K+→D+D−K+. No entanto, a teoria não prevê intermediários semelhantes a meson resultando em um par DK+. LHCb ficou, portanto, surpreso ao ver uma faixa clara em seus dados correspondente a um estado intermediário transformando-se em um par DK+ em uma massa de cerca de 2,9 GeV/c², ou cerca de três vezes a massa de um próton.+

Os dados foram interpretados como o primeiro sinal de um novo estado exótico de quatro quarks: um anticardo, um para cima, um para baixo e um antistrange (c̄uds̄). Todos os estados anteriores semelhantes ao tetraquark observados pelo LHCb sempre tiveram um par de charme-anticarma, resultando em "sabor charme" net-zero. O estado recém-observado é a primeira vez que um tetraquark contendo um único charme é visto, que foi apelidado de tetraquark de "open-charm".

"Quando vimos pela primeira vez o excesso em nossos dados, pensamos que havia um erro", diz Dan Johnson, que liderou a análise do LHCb. "Depois de anos analisando os dados, aceitamos que realmente há algo surpreendente!"

Por que isso é importante? Acontece que o júri ainda está fora do que um tetraquark realmente é. Alguns modelos teóricos favorecem a noção de que os tetraquarks são pares de messões distintos amarrados temporariamente como uma "molécula", enquanto outros modelos preferem pensar neles como uma única unidade coesa de quatro partículas. Identificar novos tipos de tetraquarks e medir suas propriedades — como seu giro quântico (sua orientação espacial intrínseca) e sua paridade (como eles aparecem sob uma transformação semelhante ao espelho) – ajudará a pintar uma imagem mais clara desses habitantes exóticos do domínio subatômico. Johnson acrescenta: "Essa descoberta também nos permitirá testar nossas teorias em um domínio totalmente novo."

Embora a observação do LHCb seja um importante primeiro passo, mais dados serão necessários para verificar a natureza da estrutura observada na decadência B. A colaboração lHCb também antecipará a verificação independente de sua descoberta de outros experimentos dedicados de física B, como Belle II. Enquanto isso, o LHC continua a fornecer resultados novos e emocionantes para experimentalistas e teóricos se aprofundarem.