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CERN descobre três novos tipos de partículas subatômicas

Uma nova partícula pentaquark e uma dupla de partículas tetraquark foram observadas no LHC, o maior acelerador de partículas do mundo

5 jul 2022 - 20h01
(atualizado em 6/7/2022 às 10h38)
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Três partículas nunca observadas antes foram descobertas pelos pesquisadores do Large Hadron Collider (LHC), o maior acelerador de partículas do mundo. As partículas são hádrons — ou seja, da mesma "família" dos prótons, nêutrons e bósons. Todos os hádrons são compostos por quarks, mas os recém-descobertos são do tipo "exóticos".

O que são hádrons e quarks?

A palavra hádron significa forte, robusto, porque eles interagem através da força forte, que explica como prótons e nêutrons conseguem se unir para formar um núcleo atômico apesar da repulsão que deveria separá-los.

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No modelo convencional de quarks, hádrons são formados a partir de pares quark-antiquark ou de três quarks. A força forte, uma das quatro forças fundamentais da natureza, é o resultado da interação entre eles.

Existem seis tipos (sabores) de quarks: up, down, strange, charm, bottom, e top. Cada um deles possui seu anti-quark. Os quarks up e down possuem as menores massas entre todos os quarks. A partir desse modelo, os cientistas desenvolveram a teoria da Cromodinâmica Quântica, que explica muito sobre a matéria visível do universo.

Contudo, apesar de todas as descobertas nos últimos 60 anos, ainda há alguns mistérios para desvendar. Um deles é o mecanismo que aprisiona os quarks — desde os primeiros instantes do Big Bang os quarks foram confinados e jamais são encontrados isoladamente.

As novas partículas

Foto: CERN / Canaltech

Em artigos de 1964, Murray Gell-Mann e George Zweig propuseram o modelo de quarks e mencionaram a possibilidade de adicionar um par quark-antiquark a uma certa configuração que ficou conhecida como hádrons exóticos. Mas os cientistas levaram 50 anos para obter evidências experimentais inequívocas da existência deles.

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Em abril de 2014, a colaboração do LHCb (LHC Beauty Experiment) publicou a primeira observação de partículas compostas por quatro quarks (na configuração charm/charm/down/up). Este foi um divisor de águas e o início de uma verdadeira leva de novas partículas exóticas. Em 2015 os físicos do LHCb relataram as primeiras estruturas pentaquark, ou seja, compostas por cinco quarks.

Desde então, muitos outros hádrons exóticos foram observados pelo LHCb, e as novas descobertas anunciadas nesta terça-feira (5) somam mais três partículas na "coleção". Elas também representam dois novos tipos de hádrons.

O primeiro tipo é um pentaquark formado pelos quarks charm/antiquark charm/up/down/strange. É o primeiro pentaquark encontrado a conter um quark strange. No entanto, ainda há algumas perguntas para serem respondidas sobre a estrutura desse hádron.

Várias interpretações para o novo pentaquark foram propostas, incluindo estados fortemente ligados e estados semelhantes a moléculas fracamente ligados. Estas duas possibilidades são ilustradas nas imagens abaixo. A cor da parte central de cada quark está relacionada com a carga de interação forte, enquanto a parte externa mostra sua carga elétrica.

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A primeira imagem ilustra como os quarks estariam estruturados caso estejam fortemente ligados para formar o novo pentaquark. No entanto, a massa deste pentaquark coincide com um limiar que pode favorecer a segunda interpretação de "molécula" fracamente ligada, vista na segunda imagem. Nesse caso, a conexão seria por uma força residual forte semelhante àquela que une prótons e nêutrons dentro dos núcleos atômicos.

O segundo novo tipo de hádron é um tetraquark duplamente carregado eletricamente, formado por quarks charm/antiquark strange/up/antiquark down. Esse hádron foi encontrado junto de sua contraparte neutra em uma análise conjunta de decaimentos. Essa foi a primeira vez que um par de tetraquarks foi observado.

As duas imagens abaixo representam os dois tetraquarks relatados na forma firmemente ligada. À esquerda, o tetraquark duplamente carregado, e à direita seu parceiro neutro.

Este anúncio do LHCb coincide com o aniversário de dez anos da descoberta do Bóson de Higgs, também realizada no LCH. Estes resultados nos mostra a importância dessas descobertas na busca pela compreensão da matéria do universo e sua origem.

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"Quanto mais análises realizamos, mais tipos de hádrons exóticos encontramos", disse Niels Tuning, coordenador de física do LHCb. "Estamos testemunhando um período de descoberta semelhante à década de 1950, quando um 'zoológico de partículas' de hádrons começou a ser descoberto e acabou levando ao modelo quark de hádrons convencionais na década de 1960. Estamos criando o zoológico de partículas 2.0'."

Os resultados serão apresentados na Conferência Internacional ICHEP 2022 sobre Física de Altas Energias em Bolonha, Itália, a partir de quarta-feira.

Fonte: CERN (1, 2)

 

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