Os físicos passaram décadas organizando a crescente coleção de partículas subatômicas, mas algumas descobertas desafiam uma classificação fácil. Pesquisadores do Thomas Jefferson National Accelerator Facility, do Departamento de Energia dos EUA, identificaram agora evidências de duas estruturas inesperadas que podem ajudar a elucidar parte desse cenário de partículas cada vez mais complexo.
Esses sinais podem lançar luz sobre um grupo misterioso de objetos chamados estados XYZ. Estes estados não se enquadram perfeitamente na imagem tradicional de partículas constituídas por quarks, os blocos de construção fundamentais da matéria. Pela primeira vez, pesquisadores do Jefferson Lab detectaram dois desses sinais que foram produzidos quando um feixe de fótons de alta energia interagiu com um alvo de prótons.
As descobertas vêm da colaboração Gluonic Excitations (GluEx) no Experiment Hall D no Jefferson Lab e foram publicadas recentemente. artigo de revisão física. Os resultados poderão ajudar os cientistas a compreender melhor como uma das forças fundamentais da natureza contribui para a formação da matéria.
“Estávamos à procura de um candidato XYZ confirmado com um feixe de fotões, mas encontrámos duas outras estruturas,” disse Malte Albrecht, cientista do Jefferson Lab. “Esta é uma informação nova.”
Como o zoológico de partículas tomou forma
A partir da década de 1950, experimentos de colisão de alta energia começaram a revelar um grande número de partículas subatômicas, conhecidas coletivamente como hádrons. Hádrons são partículas compostas que consistem em dois ou mais quarks mantidos juntos pela força nuclear forte. Exemplos familiares incluem o próton e o nêutron, cada um contendo três quarks (embora tenham sido identificados décadas antes).
Os hádrons recém-descobertos continham partículas de vida curta chamadas mésons. Geralmente consistem em um quark emparelhado com sua contraparte de antimatéria, um antiquark. Em 1964, os físicos introduziram o modelo quark para organizar esses estados ligados. A versão inicial incluía três “sabores” de quark: up, down e odd. Os quarks top e bottom, por exemplo, são os elementos que constituem os prótons e os nêutrons. Up, down e estranho também são os três tipos mais leves de quarks.
A física das partículas mudou dramaticamente novamente com a descoberta do quark charme pesado em 1974. O modelo do quark foi eventualmente expandido para incluir seis sabores. A descoberta do quark charm ajudou a criar a estrutura que se tornou o Modelo Padrão, a teoria abrangente que descreve partículas elementares e forças fundamentais, bem como expandiu o espectro conhecido de possíveis estruturas hadrônicas.
À medida que os aceleradores de partículas se tornaram mais poderosos e os detectores cada vez mais sensíveis, os investigadores ganharam acesso a processos físicos microscópicos. Após o início do século 21, os experimentos começaram a revelar muitos hádrons com propriedades quânticas incomuns que não se enquadravam intuitivamente no modelo básico de quarks.
As descobertas acumularam-se tão rapidamente que os físicos adotaram o rótulo comum de estados XYZ para muitas dessas partículas pouco compreendidas.
“Estamos em uma nova era aqui, quase a mesma de 70 anos atrás”, disse Frank Nerling, colaborador do Centro GSI Helmholtz para Pesquisa de Íons Pesados da Alemanha e do Laboratório Jefferson da Universidade Goethe de Frankfurt. “Primeiro, foi descoberto um zoológico de hádrons. Agora, estamos diante de um zoológico dos chamados estados alienígenas.”
Estranho setor de quarks descoberto
O quark charm e seu parceiro de antimatéria, um hádron com um quark anti-charm, ocupam uma região do espectro de hádrons conhecida como charmonium. Da mesma forma, partículas contendo quarks estranhos e anti-estranhos povoam a região do estrôntônio. Muitos estados XYZ foram detectados nessas duas regiões.
Em 2006, pesquisadores que trabalharam no experimento Babar no Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do DOE relataram um possível estado de estrôncio com uma massa de aproximadamente 2,16 bilhões de elétron-volts (2,16 GeV). Por ter sido considerada uma candidata XYZ, a partícula foi designada Y(2175). BaBar criou Y(2175) colidindo elétrons carregados negativamente (e-) com suas contrapartes de antimatéria carregadas positivamente, pósitrons (e+), através de um processo chamado e+e-aniquilação.
Y(2175) exibiu um comportamento quântico que pode ser difícil de explicar em termos de um par quark-antiquark convencional. Uma possibilidade é que represente um estado híbrido composto por dois quarks estranhos e um glúon excitado, partículas que transportam a força forte. Os cientistas também propuseram que poderia ser uma configuração de quatro quarks chamada tetraquark ou uma combinação semelhante a uma molécula de outras partículas mistas.
Experimentos posteriores do colisor elétron-pósitron (e – e +), incluindo o Espectrômetro de Pequim (BES) na China e o BELLE no Japão, confirmaram a existência de Y (2175). No entanto, até agora, Y(2175) não tinha sido observado através de qualquer processo diferente da aniquilação e-e+.
“O desafio é que temos múltiplas medições em experiências muito diferentes em todo o mundo que têm de encontrar consenso sobre o que estão a ver”, disse Klaus Goetzen, outro físico do GSI que conduz investigação no Jefferson Lab. “É mais complicado do que parece, porque há estados que são muito próximos em massa e podem ou não ser a mesma coisa.”
A colaboração GluX decidiu descobrir Y(2175) usando fotorredução. Neste processo, um feixe de fótons atinge um próton colocado dentro de um alvo fixo. Y(2175) não apareceu através deste mecanismo de produção. Em vez disso, os investigadores encontraram algo inesperado nas massas circundantes.
GluX encontra uma correspondência inesperada
O experimento GluX no Jefferson Lab foi projetado especificamente para investigar mésons híbridos, partículas exóticas nas quais glúons excitados podem contribuir diretamente para a estrutura interna. A cromodinâmica quântica (QCD), a teoria que descreve a força nuclear forte, prevê que tais estados deveriam existir.
“Campos gluônicos excitados podem ocorrer nesses mésons onde há muito mais do que um par quark-antiquark”, disse Justin Stevens, professor de física da William & Mary e porta-voz da GluX. “Esta é uma das investigações, para tentar perceber se existe uma contribuição gluónica para a estrutura que vemos.”
GluX usa o Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF), uma instalação de usuário do DOE Science Office que apoia a pesquisa de mais de 1.700 físicos em todo o mundo. Um wafer de diamante ultrafino converte os elétrons do CEBAF em um feixe de fótons de alta energia com rotação paralela. Milhões desses fótons colidem com prótons dentro do alvo de hidrogênio líquido a cada segundo. Um espectrômetro de grande aceitação registra então a pulverização de partículas produzidas na interação.
“Nenhuma outra experiência apresenta um feixe de fotões desta intensidade com a energia disponível para nós”, disse Albrecht. “É realmente uma configuração única.”
Este experimento gera uma enorme quantidade de informações, suficiente para encher o disco rígido de um laptop comum em minutos. Os pesquisadores procuraram nos dados evidências de Y(2175) que nunca haviam sido confirmadas por fotorredução.
Em vez disso, identificaram duas estruturas com massa próxima, sugerindo que os objetos podem ter origens igualmente incomuns. Um apareceu em cerca de 2,24 GeV e foi designado Y(2240). O segundo, chamado X(1830), apareceu por volta de 1,82 GeV.
“Uma das coisas interessantes sobre este resultado é que não vimos Y(2175) no local que procurávamos”, disse Albrecht. “Encontramos algo novo usando um processo físico completamente diferente, e é realmente interessante. Mas agora que isso foi observado, não significa que terminamos.”
Quão fortes são os novos sinais?
GluX detectou Y(2240) com um nível de certeza estatística muito elevado, correspondendo a um nível de confiança de aproximadamente 99,9994%. Os físicos descrevem esse limite como significância de cinco sigma (5σ), o que significa que a probabilidade do sinal ser inválido é inferior a uma em um milhão.
O sinal para X(1830) era mais fraco, mas ainda notável. Isto atingiu significância de 3σ, correspondendo a um nível de confiança de aproximadamente 99,7%.
Com as medições agora estabelecidas nestes níveis de significância, os teóricos podem começar a desenvolver novas previsões sobre o que as estruturas podem representar e que experiências adicionais podem distinguir entre elas.
“O próximo passo é descobrir que configurações exóticas de quarks a natureza pode ter realizado aqui”, disse Nerling. “Os teóricos podem chegar a novas conclusões e identificar medidas que podem ajudar a desvendar a verdadeira natureza destes estados especiais”.
Uma nova fase para pesquisas de partículas exóticas
O estudo também estabelece um limite superior para a probabilidade de produção de Y(2175) por meio de fotoprodução. Essa restrição poderia ajudar os físicos a projetar e interpretar experimentos futuros.
Para o GluX, dois sinais inesperados poderão marcar o início de uma busca mais extensa de hádrons exóticos usando feixes de fótons de alta energia.
“Isso realmente abre a porta para um novo conjunto de medições de espectroscopia de hádrons que podemos fazer com o GluX”, disse Stevens. “Temos muitos dados para analisar, então este é apenas o começo da história.”
