A física nuclear pode ser a chave para abrir o Modelo Padrão
O detector CMS no CERN, um dos dois detectores de partículas mais poderosos já montados. Crédito da imagem: CERN.
Se o LHC não pode produzir novas partículas fundamentais, as colisões dele ainda são uma chance de nos ensinar algo incrível.
Foi o evento mais incrível que já aconteceu comigo na minha vida. Foi quase tão incrível como se você disparasse um projétil de 15 polegadas em um pedaço de papel de seda e ele voltasse e o atingisse. – Ernest Rutherford
Se você quer descobrir novos segredos e mistérios sobre o Universo fundamental, você colide partículas em energias cada vez mais altas para abrir o que está dentro. Pelo menos, esse tem sido o método de maior sucesso até agora! Mas há outra abordagem: observar como essas partículas fundamentais se unem de maneiras interessantes, incomuns e até instáveis. Ao examinar cuidadosamente suas interações, é possível identificar lacunas em nosso entendimento atual que podem nos iludir se tudo o que fizermos for procurar novas partículas na fronteira de alta energia. Com o fracasso do LHC em encontrar novas partículas além do Higgs, essa abordagem pode ser exatamente o que a física precisa.
O experimento de folha de ouro de Rutherford mostrou que o átomo era principalmente espaço vazio, mas que havia uma concentração de massa em um ponto que era muito maior do que a massa de uma partícula alfa: o núcleo atômico. Crédito da imagem: Chris Impey.
Já se passaram mais de cem anos desde a descoberta do núcleo atômico por Rutherford, um experimento engenhoso em que ele bombardeou uma folha de ouro que havia sido martelada incrivelmente fina – então tinha apenas alguns átomos de espessura – com partículas subatômicas. O que ele descobriu foi que, embora a maioria dessas partículas passasse direto pela folha, semelhante ao que você poderia esperar, algumas ricochetearam em ângulos estranhos, incluindo muitas que retornaram na direção oposta à sua direção original.
Isso ocorre porque os átomos são compostos de núcleos em seus centros. Se Rutherford tivesse sido capaz de bombardear esses núcleos com partículas de energia ainda mais altas, no entanto, ele não os teria destruído em prótons e nêutrons individuais. Indo ainda mais fundo do que isso, prótons e nêutrons são feitos de partículas ainda menores: quarks e glúons. Até onde sabemos, quarks e glúons são verdadeiramente fundamentais e têm propriedades próprias, interessantes e únicas.
Os quarks, antiquarks e glúons do modelo padrão possuem uma carga de cor, além de todas as outras propriedades como massa e carga elétrica. Crédito da imagem: E. Siegel.
Por um lado, ao contrário de todas as outras partículas conhecidas do Modelo Padrão de partículas elementares, quarks e glúons são os únicos conhecidos que têm uma carga de cor, que funciona de maneira muito diferente das outras cargas com as quais você está acostumado.
- Uma carga gravitacional (conhecida como massa) vem em apenas um tipo (positivo) e é sempre atraente. Se você tem uma massa, não há contraparte antimassa para fazer a carga ir a zero.
- Uma carga elétrica pode ser positiva ou negativa, onde uma de cada pode cancelar a carga líquida, tornando um conjunto composto de partículas (como um átomo) eletricamente neutro, mesmo que seja feito de constituintes carregados.
- Mas uma carga de cor pode vir em três variedades separadas - vermelho, verde ou azul - juntamente com anti-variedades para cada cor - anti-vermelho (ciano), anti-verde (magenta) ou anti-azul (amarelo) - e o combinação certa pode sempre ser de cor neutra ou branca.
A troca de glúons altera as cores individuais dos quarks dentro do núcleo, mas as combinações quark/glúon de todos os componentes internos sempre levam a uma combinação incolor. Crédito da imagem: Qashqaiilove do Wikimedia Commons.
Mas aqui está o kicker: desde que você faça uma combinação de cores neutras, ela deve ser capaz de existir de forma estável - pelo menos temporariamente - neste universo. Você pode tornar algo de cor neutra com uma combinação de uma carga de cor e sua carga anticor (como um par quark-antiquark), ou uma combinação de três cores (ou três anticores), como um próton, que é feito de três quarks. Chamamos essa combinação de cores neutras de branco e, desde que algo seja branco, pode existir se as outras condições estiverem corretas na natureza. Em todos os casos, esses quarks (ou antiquarks) mudam suas cores individuais ao longo do tempo pela emissão e absorção de glúons (coloridos), mas a combinação total sempre permanece neutra em relação à cor.
A combinação de um quark (RGB) e um antiquark correspondente (CMY) sempre garante que o méson seja incolor. Crédito da imagem: Army1987 / TimothyRias do Wikimedia Commons.
Para as combinações quark-antiquark, elas são conhecidas como mésons. Se você tiver apenas dois quarks disponíveis (como up e down), terá combinações limitadas das partículas que pode fazer, dependendo de como outras propriedades quânticas (como spin) estão disponíveis para configuração. Se você tiver mais quarks (estranho, estranho e charme, etc.), poderá fazer mais combinações. O que você acaba com um espectro inteiro de partículas possíveis, com tudo previsto até agora – ao alcance do experimento – tendo sido confirmado com sucesso.
Diferentes maneiras de juntar quarks up, down, strange e bottom com um spin de +3/2 resultam no seguinte “espectro bariônico”, ou coleção de 20 partículas compostas. Alguns ainda não foram descobertos. Crédito da imagem: Fermi National Accelerator Laboratory.
Para as combinações de três quarks (ou três antiquarks), você pode criar bárions (ou antibárions). Novamente, à medida que você vai para energias cada vez mais altas, e incorpora não apenas quarks up e down, mas também quarks estranhos, charm e bottom (e assim por diante) na mistura, você acaba prevendo um espectro inteiro de bárions. E, assim como os mésons, quanto melhores nossos detectores experimentais (e energias de colisores) obtiveram, mais dessas partículas foram descobertas. Mas, como você já deve ter percebido, pares de quark-antiquark e combinações de três quarks (ou antiquarks) não são as únicas possibilidades estáveis disponíveis.
Por exemplo, aqui estão alguns objetos incolores de interesse:
- Você pode ter dois quarks e dois antiquarks: um estado tetraquark.
- Você pode ter quatro quarks e um antiquark: um estado pentaquark.
- Você pode ter seis quarks (ou seis antiquarks) todos ligados em um único objeto: um estado dibaryon.
- Ou você pode até ter uma configuração quase estável feita exclusivamente de glúons, todos somando uma combinação incolor: uma bola de cola.
Tubos de fluxo de cor produzidos por uma configuração de quatro cargas estáticas de quarks e antiquarks, representando cálculos feitos em rede QCD. Os tetraquarks foram previstos muito antes de serem observados pela primeira vez. Crédito da imagem: Pedro.bicudo do Wikimedia Commons.
Por muito tempo, esses objetos eram apenas teóricos. E, no entanto, a teoria das interações fortes – Cromodinâmica Quântica (QCD) – exige que elas existam. Se não, então o QCD está errado! Os pentaquarks foram reivindicados pela primeira vez em meados dos anos 2000, uma descoberta que acabou sendo espúria. Mas nos últimos anos, os primeiros tetraquarks foram descobertos, e apenas em 2015, o primeiro estado pentaquark verificado foi anunciado.
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.
Por que isso é importante? Em primeiro lugar, estamos verificando uma suposição não testada anteriormente de uma das teorias fundamentais mais importantes que temos sobre o Universo. Estamos testando essa teoria de uma maneira totalmente nova, descobrindo a existência de partículas que não tínhamos certeza se realmente estariam lá.
Mas, em segundo lugar, existe quase definitivamente um espectro inteiro desses novos conjuntos de partículas: tetraquarks, pentaquarks e possivelmente mais! Quando há uma combinação permitida, provavelmente há muitas. E com mais ingredientes em cada combinação (quatro para tetraquarks, cinco para pentaquarks, etc.) do que mésons ou bárions, deve haver muito mais desses estados ligados do que há de todos os estados previamente conhecidos juntos.
Com seis quarks e seis antiquarks para escolher, onde seus spins podem somar 1/2, 3/2 ou 5/2, espera-se que haja mais possibilidades de pentaquark do que todas as possibilidades de bárions e mésons combinadas. Crédito da imagem: colaboração CERN / LHC / LHCb.
Curiosamente, isso também poderia levar a um interesse renovado na busca por bolas de cola, que seria a primeira evidência direta de um estado ligado de glúons na natureza! Se as exóticas previsões QCD de tetraquarks e pentaquarks são confirmadas em nosso Universo, é lógico que as bolas de cola também deveriam estar lá. Talvez a existência dessas partículas compostas também seja verificada no LHC, com implicações incríveis sobre como nosso Universo funciona de qualquer maneira.
Se QCD estiver correto, então deve ser teoricamente possível ter estados ligados quase estáveis apenas de glúons: bolas de cola. Isso mostra um possível espectro de bola de cola previsto, dada a nossa compreensão atual das interações fortes. Crédito da imagem: R. Brower / C. Morningstar e M. Peardon.
A coisa surpreendente sobre os pentaquarks e todos os tipos de estados exóticos da matéria não é que eles existam, mas que eles nos permitem ir ainda mais longe nos limites da física e sondar os limites de nossas previsões teóricas mais sagradas. A declaração mais emocionante que podemos fazer em física é, isso é engraçado, como Rutherford deve ter pensado consigo mesmo há mais de um século. Toda vez que ultrapassamos as fronteiras assim, criamos uma nova oportunidade para nós mesmos descobrirmos se a natureza está de acordo com nossas expectativas ou se realmente há algo engraçado lá.
Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive !
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