Pergunte a Ethan: O LHC descobriu um novo tipo de partícula?
O detector CMS no CERN, um dos dois detectores de partículas mais poderosos já montados. Crédito da imagem: CERN.
E qual é, exatamente, o significado de um tetraquark?
Descobri que podia dizer coisas com cores e formas que não conseguiria dizer de outra forma – coisas para as quais não tinha palavras. – Georgia O’Keeffe
Na busca por avançar nosso conhecimento do Universo, os maiores avanços sempre parecem vir quando um experimento ou medição indica algo novo: algo que nossas melhores teorias até então não haviam previsto antes. Todos sabemos que o LHC está procurando por partículas fundamentais além do Modelo Padrão, incluindo dicas de supersimetria, tecnicolor, dimensões extras e muito mais. É possível que o LHC tenha descoberto um novo tipo de partícula e os resultados tenham sido enterrados nas notícias? Essa é a pergunta de Andrea Lelli, que quer saber por que
As notícias sobre as partículas de tetraquark descobertas no LHC foram publicadas em alguns feeds científicos, mas parece que as notícias não chamaram a atenção da grande maioria. Não é uma descoberta valiosa, embora os tetraquarks já tenham sido teorizados? O que isso significa exatamente para o modelo padrão?
Vamos descobrir.
As partículas e antipartículas do Modelo Padrão. Crédito da imagem: E. Siegel.
Quando se trata das partículas que conhecemos no Universo, temos:
• os quarks, que compõem prótons e nêutrons (entre outras coisas)
• os léptons, incluindo o elétron e os neutrinos muito leves,
• os antiquarks e antiléptons, as contrapartes antipartículas das duas classes acima,
• temos o fóton, a versão em partículas do que chamamos de luz,
• temos os glúons, que unem os quarks e são responsáveis pela força nuclear forte,
• temos os bósons de calibre pesado - o W+, W- e o Z0 - que medeiam as interações fracas e decaimentos radioativos,
• e o bóson de Higgs.
O principal objetivo do LHC era encontrar o Higgs, o que fez, completando a gama de partículas esperadas no Modelo Padrão. O esticar O objetivo, no entanto, era encontrar novas partículas além das que esperávamos. Esperamos encontrar pistas para os maiores problemas não resolvidos da física teórica nessas altas energias. Para encontrar algo que possa fornecer uma dica para a matéria escura, a assimetria matéria-antimatéria do Universo, a razão pela qual as partículas têm as massas que têm, a razão pela qual os decaimentos fortes não ocorrem de certas formas, etc. fundamental partícula, e para nos dar suporte experimental para uma ideia teórica especulativa ou para nos surpreender e nos empurrar para uma direção inteiramente nova.
O mais próximo que chegamos disso é uma dica de uma nova partícula cujo decaimento aparece no canal de dois fótons a 750 GeV. O limite para descoberta, no entanto, requer uma significância indicando que há menos de 0,00003% de chance de um acaso; os dados CMS e ATLAS têm 3% e 10% de chance de um acaso , respectivamente. Essa é uma dica bastante tênue.
As colisões de difótons ATLAS e CMS, exibidas juntas, correlacionam-se claramente a ~750 GeV. Crédito da imagem: CERN, colaborações CMS/ATLAS, imagem gerada por Matt Strassler em https://profmattstrassler.com/2015/12/16/is-this-the-beginning-of-the-end-of-the-standard-model/ .
Mas o LHC tem algumas novas descobertas em seu cinturão, embora não sejam descobertas fundamentais no novo sentido de partículas. O que recebemos, no entanto, foi um anúncio sobre a descoberta de tetraquarks. Essas não são novas partículas que são adições ou extensões ao modelo padrão: elas não representam novas forças, novas interações ou soluções potenciais para nenhum dos grandes e pendentes problemas da física teórica hoje. Em vez disso, são inteiramente combinações das partículas existentes que nunca foram vistas antes.
A maneira como os quarks funcionam é que eles vêm com uma cor: vermelho, verde ou azul. (Os antiquarks são ciano, magenta e amarelo, respectivamente: o anti -cores dos quarks.) Glúons são trocados entre quarks para mediar a força nuclear forte, e eles mudam as cores dos quarks (ou antiquarks) quando o fazem. Mas aqui está o kicker: para existir na natureza, qualquer combinação de quarks ou antiquarks deve ser completamente incolor. Então você pode ter:
• Três quarks, pois red+green+blue = incolor.
• Três antiquarks, pois ciano+magenta+amarelo = incolor.
• Ou uma combinação quark-antiquark, pois vermelho + ciano (ou seja, anti-vermelho) = incolor.
Crédito da imagem: usuário Qashqaiilove da Wikipédia / Wikimedia Commons.
(Você também pode pensar em cores como vetores de seta em direções particulares , e você tem que voltar à origem para fazer algo incolor.)
As três combinações de quarks são conhecidas como bárions, e prótons e nêutrons são dois desses exemplos, juntamente com combinações mais exóticas envolvendo quarks mais pesados. Combinações de três antiquarks são conhecidas como anti-bárions e incluem anti-prótons e anti-nêutrons. E as combinações quark-antiquark são conhecidas como mésons, que mediam as forças entre os núcleos atômicos e têm propriedades interessantes de vida e decaimento por conta própria. Exemplos de mésons incluem o pion, o kaon, o charmonium e o upsilon.
Mas por que parar por aí? Por que não imaginar outras combinações sem cores? Por que não algo como:
• Dois quarks e dois antiquarks, um tetraquark?
• Ou quatro quarks e um antiquark, um pentaquark?
• Ou mesmo algo como cinco quarks e dois antiquarks, um heptaquark?
Um estado de massa pentaquark descoberto na colaboração do LHCb em 2015. O pico corresponde ao pentaquark. Crédito da imagem: CERN em nome da colaboração LHCb.
(Ter seis quarks não é interessante nem novo: já sabemos como fazer deutério, um isótopo pesado do hidrogênio.) De acordo com o Modelo Padrão, isso não é apenas possível, é previsto . É uma consequência natural da cromodinâmica quântica: a ciência por trás da força nuclear forte e dessas interações.
No início dos anos 2000, foi alegado que os pentaquarks – essas cinco combinações de quarks/antiquarks – foram descobertos. Infelizmente, isso foi prematuro, pois o resultado de 2003 do Laser Electron Photon Experiment do Japão no SPring-8 (LEPS) não pôde ser reproduzido e os outros resultados de meados dos anos 2000 foram de pouca significância. Os estados tetraquark estavam surgindo na mesma época. Em 2003, o Boa experiência (também no Japão) anunciou um resultado muito controverso: a descoberta de uma partícula com uma massa de 3872 MeV/c^2 cujos números quânticos não correspondiam a nenhum bárion viável ou estados semelhantes a mésons. Pela primeira vez, tivemos um candidato tetraquark.
Tubos de fluxo de cor produzidos por uma configuração de quatro cargas estáticas de quarks e antiquarks, representando cálculos feitos em rede QCD. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Pedro.bicudo, sob licença c.c.a.-s.a.-4.0.
Belle continuou, em 2007, a descobrir dois outros candidatos ao tetraquark, incluindo o primeiro com quarks charm dentro dele, enquanto o Fermilab também descobriu vários candidatos ao tetraquark. Mas o maior avanço nesses outros estados combinados ocorreu em 2013, quando Belle e o experimento BES III (na China) relataram independentemente o descoberta do primeiro estado tetraquark confirmado . Foi o primeiro tetraquark a ser diretamente observado experimentalmente. Assim como os píons, ele vem em versões com carga positiva, carga negativa e também neutra.
Desde então, o LHC assumiu a liderança, coletando mais dados sobre hádrons de alta energia do que qualquer outro experimento anterior. O experimento LHCb, em particular, é aquele projetado para observar essas partículas. Alguns candidatos a tetraquark - como o candidato contendo quark bottom do Fermilab do experimento DØ - foram desfavorecidos pelo LHC. Mas outros foram observados diretamente, como o tetraquark contendo charme de Belle de 2007, juntamente com muitos novos. E os últimos resultados de tetraquark aos quais você alude, relatado aqui na revista Symmetry , detalhe quatro novas partículas de tetraquark.
A sala do detector LHCb no CERN. Crédito da imagem: CERN.
O legal dessas quatro novas partículas é que elas são compostas de dois quarks charm e dois quarks estranhos cada (sendo dois sempre a versão anti), tornando estes os primeiros tetraquarks a ter não quarks leves (up e down) neles. E assim como você pode ter um único elétron dentro de um átomo existindo em muitos estados únicos diferentes, a maneira como esses quarks são configurados significa que cada uma dessas partículas tem números quânticos únicos, incluindo massa, spin, paridade e conjugação de carga. O físico Thomas Britton, que fez muito deste trabalho para seu Ph.D., detalhou:
Analisamos todas as partículas e processos conhecidos para garantir que essas quatro estruturas não pudessem ser explicadas por nenhuma física pré-existente. Era como assar um bolo de seis dimensões com 98 ingredientes e nenhuma receita – apenas uma foto de um bolo.
Em outras palavras, temos 100% de certeza de que não são hádrons normais que o Modelo Padrão poderia ter previsto, e com certeza são tetraquarks!
Os mésons B podem decair diretamente em uma partícula J/Ψ (psi) e uma partícula Φ (phi). Os cientistas do CDF encontraram evidências de que alguns mésons B decaem inesperadamente em uma estrutura de quarks intermediária identificada como uma partícula Y. Crédito da imagem: Revista Symmetry.
A maneira como eles normalmente aparecem - como os detalhes da imagem acima - é aparecendo em um intermediário estágio (indicado por Y) de alguns decaimentos. Isto é completamente permitido pelo Modelo Padrão, mas é um processo muito raro e, de certa forma, é incrível que tenhamos a enorme quantidade de dados e possamos medi-los com precisão suficiente para detectar essas classes de partículas. Espera-se que tetraquarks, pentaquarks e combinações ainda mais altas sejam reais. Talvez o mais estranho de tudo, o Modelo Padrão prevê a existência de bolas de cola, que são estados ligados de glúons.
É importante lembrar que ao fazer esses testes e ao procurar esses estados da natureza incrivelmente raros e difíceis de encontrar, estamos fazendo os testes de mais alta precisão de QCD – a teoria subjacente à força forte – de todos os tempos. Se esses estados previstos de quarks, antiquarks e glúons não se concretizarem, então algo sobre QCD está errado, e isso seria uma maneira de ir além do Modelo Padrão também! Encontrar esses estados é o primeiro passo; entender os detalhes de como eles se encaixam, quais são suas hierarquias e como nossa física conhecida se aplica a esses sistemas cada vez mais complexos é o que vem a seguir. Tal como acontece com tudo na natureza, a recompensa pelo progresso humano é difícil de ver quando a descoberta inicial é feita, mas a alegria de descobrir as coisas é sempre sua própria recompensa.
Esta postagem apareceu pela primeira vez na Forbes , e é oferecido a você sem anúncios por nossos apoiadores do Patreon . Comente em nosso fórum , & compre nosso primeiro livro: Além da Galáxia !
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