Tradução do texto do Physics Buzz sobre a descoberta de uma nova partícula – Sobre física e flores
Se você estiver em busca de uma novidade encantadora e também dar um tempo às noticias que cobrem os desastres relacionadas com o clima, esta é sua história. Hoje, no jornal Physical Review Letters da American Physical Society, uma equipe com centenas de pesquisadores do CERN (European Organization for Nuclear Research, ou Centro Europeu de Pesquisas Nucleares) anunciou a primeira observação inequívoca de um bárion com dois quarks pesados.
Então, o que exatamente isso significa?
A matéria, todas as coisas visíveis ao nosso redor, é feita de átomos. Os átomos são feitos de três partículas subatômicas: prótons, nêutrons e elétrons. Tanto quanto podemos dizer, os elétrons são partículas fundamentais – eles não podem ser divididos em componentes menores. No entanto, os prótons e os nêutrons estão em uma classe de partículas chamadas bárions que são compostas por três partículas fundamentais de um tipo diferente, chamadas quarks.
Os quarks podem ser de seis tipos, ou sabores, criativamente denominados: up(u), down(d) (também chamado de beauty), charm(c), strange(s), top(t) e bottom(b). Grupos diferentes de quarks levam a diferentes bárions. Por exemplo, um próton tem dois quarks up e um quark down (uud). Um nêutron tem dois quarks down e um quark up (ddu). Os quarks up e down são os mais leves e mais estáveis dos seis. Os mais pesados têm tempo de vida efêmero e só aparecem em colisões de alta energia. Os quarks charm, top e bottom são muito mais maciços do que os outros três, sendo frequentemente denominados como os quarks pesados.
De acordo com a teoria da física de partículas, os bárions podem ser compostos de três quarks de qualquer tipo, com exceção dos quarks top porque estes não vivem o suficiente para formar bárions. No entanto, apesar de anos de pesquisa, os cientistas só observaram bárions com nenhum ou com apenas um quark pesado – eles nunca detectaram definitivamente* um bárion com dois ou três quarks pesados. Até agora.
No novo artigo da revista, a colaboração do LHCb (Large Hadron Colisor beauty) no CERN compartilha sua descoberta de "uma estrutura altamente significativa" em seus dados, que representa um bárion composto por dois quarks charm e um quark up (ccu). Em seu artigo, os pesquisadores se referem ao bárion com o símbolo Ξcc++ (Ξ é a letra grega Csi).
A figura no início do post é uma ilustração do recém descoberto bárion. (crédito da imagem: CERN).
O LHCb, que representa o experimento "beauty" do Large Hadron Collider, é um dos quatro grandes experimentos com base no laboratório do CERN, perto de Genebra, na Suíça. Com este longo experimento, uma equipe de mais de 800 cientistas, apoiada por mais de 400 técnicos e engenheiros, estudam partículas que contêm quarks down ou charm como forma de aprender sobre as diferenças entre a antimatéria e a matéria. Para mais informações sobre o LHCb, consulte esta publicação Buzz de 2015, Surprises from the LHC's "Beauty factory".
Embora este bárion duplamente encantado tenha sido previsto há anos, encontrá-lo era um grande desafio; a vida útil da partícula é uma pequena fração de segundo, e só é produzida em colisões de alta energia. Isso significa que a descoberta requer encontrar apenas o sinal certo em meio a todo o caos que resulta quando os feixes de prótons que viajam quase a velocidade da luz colidem. O detector LHCb registra milhões de colisões de prótons por segundo, cada uma produzindo partículas que podem decair para outras partículas.
Para combater essa enorme quantidade de dados, o LHCb depende de um sistema eletrônico de ponta. Simplificando, os cientistas estudam e simulam as colisões que gostariam de analisar. Então, eles usam essas informações para otimizar um programa de computador sofisticado, dizendo o que procurar. Durante a coleta de dados, os sub-detectores dentro do LHCb medem as propriedades das partículas produzidas em colisões reais. O programa de computador funciona como um gatekeeper, mantendo apenas os eventos que parecem corresponder ao que os cientistas estão interessados em analisar.
O novo bárion foi descoberto em dados coletados em 2016, confirmados através de verificações cruzadas, e depois verificados em dados coletados pelo LHCb sob diferentes condições. A partir dos resultados experimentais, os cientistas determinaram que a massa do bárion seja cerca de quatro vezes mais pesada do que a massa de um próton. Sua massa e outras propriedades medidas combinam previsões teóricas para esse poço de partículas, outro bom sinal.
Parte da diversão nesta história é que é uma arrancada de novas estórias que afetam a vida diária tão dramaticamente quanto furacões e terremotos, pelo menos em algum sentido concreto. No entanto, esta descoberta contém informações importantes para cientistas que tentam juntar a história do nosso universo e as partículas fundamentais das quais somos feitos. Os colaboradores do LHCb estão otimistas de que estudar este novo bárion nos ajudará a entender melhor como os quarks interagem, como a matéria é mantida unida e como os bárions com dois quarks pesados se comportam. Isso, por sua vez, deve nos ajudar a detectar ainda mais deles.
[* O termo "definitivamente" está incluído nesta declaração porque um experimento de 2002 em Fermilab viu evidências de um bárion com dois quarks charm e um quark down (ccd), mas algumas de suas propriedades estavam fora das expectativas e a descoberta ainda tem que ser verificada por outros experimentos. Os cientistas estão trabalhando para conciliar estes achados com os novos do CERN, mas até agora eles parecem estar em desacordo.]