O Large Hadron Collider, ou melhor conhecido como LHC, além de colidir hádrons, pode ser agora considerado também um grande descobridor de hádrons. O esmagador de átomos que fica perto de Genebra na Suíça, é mundialmente conhecido por ter demonstrado em 2012 a existência do Bóson de Higgs, uma descoberta que colocou um ponto final na atual classificação de partículas elementares. Mas o LHC tem também descoberto dezenas de partículas não elementares, chamadas de hádrons, essas partículas, assim como os prótons e os nêutrons, são feitas de quarks.
O último hádron descoberto foi apresentado na conferência da European Physical Society em 29 de julho de 2021, quando o físico de partículas Ivan Polyakov da Syracuse University em Noa York, revelou um hádron anteriormente desconhecido feito de 4 quarks. Isso fez com que a contagem de hádrons descobertos pelo LHC chegasse a 62.
O panteão de partículas, chamado de modelo padrão, descreve os blocos básicos de construção da matéria e as forças fundamentais que agem sobre eles. Inclui seis tipos, ou sabores de quark, suas seis contrapartes de antimatéria e várias outras partículas elementares, incluindo elétrons e fótons. O modelo padrão também inclui regras para como os quarks formam partículas compostas chamadas hádrons. Os quarks são mantidos juntos pela força nuclear forte, uma das quatro forças fundamentais. Os dois quarks mais comuns na natureza são chamados de ‘up’ e ‘down’; suas combinações possíveis incluem nêutrons (um para cima e dois para baixo) e prótons (dois para cima e um para baixo).
Os prótons são os únicos hádrons que se sabe serem estáveis isoladamente – os nêutrons são estáveis apenas quando são incorporados aos núcleos atômicos. Todos os outros hádrons se formam apenas fugazmente, a partir da colisão de outras partículas, e decaem em uma fração de segundo. Portanto, o LHC cria novos tipos de hádrons ao causar colisões frontais de alta energia entre prótons.
A maioria dos novos tipos de hádrons do LHC foram detectados pelo LHCb, um dos quatro detectores gigantes no túnel circular de 27 quilômetros que contém o LHC, e a partícula anunciada por Polyakov não foi exceção. Peneirando dados sobre os fragmentos de colisões de prótons, Polyakov e sua colaboradora Vanya Belyaev no Instituto de Física Teórica e Experimental em Moscou encontraram a assinatura esperada de um ‘tetraquark’ – um hádron de quatro quarks – chamado Tcc +.
Os tetraquarks são extremamente incomuns: a maioria dos hádrons conhecidos são feitos de dois ou três quarks. O primeiro tetraquark foi localizado na High Energy Accelerator Research Organization (KEK) em Tsukuba, Japão, em 2003, e o LHCb viu vários outros. Mas o novo é uma raridade. Os tetraquarks anteriores eram provavelmente pares de duplas de quarks comuns ligados uns aos outros como átomos em uma molécula, mas o físico teórico Marek Karliner acredita que o último poderia ser um quádruplo genuíno e fortemente ligado. “É uma grande descoberta. É uma nova espécie, não uma molécula hadrônica. É o primeiro desse tipo ”, diz Karliner, que está na Universidade de Tel Aviv em Israel e ajudou a prever a existência de uma partícula com as mesmas propriedades do Tcc + em 2017.
Na natureza, os tetraquarks provavelmente existiram apenas durante os primeiros instantes do universo, quando toda a matéria era comprimida em um espaço extremamente apertado, diz Belyaev. Mas criá-los de novo ajuda os físicos a testar suas teorias sobre como as partículas interagem por meio da força nuclear forte.
Os dados revelaram as propriedades da nova partícula com tanta precisão que Belyaev ficou pasmo. “Minha primeira reação foi: é meu erro”, diz ele. Por exemplo, a massa da partícula, que é cerca de 4 vezes a de um próton, foi detectada com uma margem de erro quase 3.000 vezes melhor do que na descoberta do bóson de Higgs. Belyaev acrescenta que o Tcc + poderia ter sido descoberto em dados dos primeiros anos do LHC, mas ele e seus colegas do LHCb não o encontraram até agora porque tinham uma longa lista de outras partículas para procurar.
A busca por novos hádrons continuará. Dezenas de combinações de quarks podem dar origem aos hádrons. Karliner diz que existem 50 possíveis 2-quark hãdrons, todos menos um dos quais foram observados, e 75 possíveis trios de quarks (e tantos trigêmeos de antiquarks), dos quais quase 50 foram vistos. “Temos certeza de que todos os outros existem, mas são difíceis de fazer”, diz Karliner.
Além disso, para cada combinação de quarks, há um número quase ilimitado de possíveis ‘estados excitados’ mais pesados - distinguidos, por exemplo, pela velocidade com que giram – e cada um é classificado como uma partícula separada. Muitos foram encontrados experimentalmente e, de fato, a maioria das partículas no catálogo de Koppenburg são estados excitados. “Quem sabe quantos outros estados existem apenas escondidos à vista de todos, guardados nos dados em um laptop”, diz Koppenburg, que, como Polyakov e Belyaev, é membro da colaboração do LHCb.
Mas ele também se pergunta se todas essas descobertas devem ser tratadas como partículas discretas. “Tenho tendência a estar cada vez mais convencido de que precisamos de uma definição melhor do que é uma partícula”, diz ele.
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