Tudo ao nosso redor tem massa, mas sua origem ainda é uma das maiores questões sem resposta da física. Segundo a teoria moderna, a massa não vem apenas da matéria. Em vez disso, está ligado à natureza do vácuo, que não é um espaço vazio, mas um ambiente dinâmico com uma estrutura complexa. O estudo de sistemas de partículas especiais pode ajudar os cientistas a compreender melhor esta estrutura oculta e como a massa é formada.
Uma abordagem promissora envolve mésons, partículas compostas por um quark e um antiquark, ligadas entre si num núcleo atômico. Essa combinação é conhecida como núcleo mésico. Ao examinar esses sistemas, os pesquisadores podem investigar os processos que formam o vácuo e dão massa às partículas. Agora, novos resultados experimentais aproximaram os cientistas desse objetivo, revelando evidências de um tipo inteiramente novo de núcleo mésico.
Evidência de um estado de partícula raro e exótico
Uma equipe internacional de pesquisadores relatou sinais de uma condição até então invisível, mas teoricamente prevista, chamada núcleos η′-mésicos. Os seus resultados, que aparecerão em Physical Review Letters, indicam a possível existência deste sistema vinculativo incomum.
Sob certas condições, partículas de vida curta conhecidas como mésons, que existem por menos de dez milionésimos de segundo, podem ficar temporariamente presas dentro de um núcleo atômico. Quando isso acontece, formam um estado raro e exótico. O estudo desses núcleos mésicos pode ajudar os cientistas a entender como a força nuclear forte se comporta e como o vácuo muda em ambientes extremamente densos.
“Uma partícula de particular interesse é o méson η′”, disse o autor sênior Kenta Itahashi. “É invulgarmente pesado em comparação com partículas relacionadas, e os físicos esperam que a sua massa mude se existir dentro da matéria nuclear. A observação deste fenómeno fornecerá informações valiosas sobre como a massa das partículas é formada no Universo.”
Experimentos de alta precisão dentro de um acelerador de partículas
Para procurar núcleos η′-mésicos, a equipe conduziu um experimento de alta precisão no GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, na Alemanha.
Os pesquisadores direcionaram um feixe de prótons de alta energia para um alvo de carbono. Este processo excita o núcleo de carbono e produz mésons η′, que em alguns casos se ligam ao núcleo. Para estudar essas interações, a equipe mediu a energia de excitação dos núcleos de carbono analisando os deutérios – os núcleos atômicos mais simples feitos de um próton e um nêutron – que foram emitidos durante a reação. Essas medições foram feitas usando um espectrômetro de alta resolução denominado separador de fragmentos (FRS).
O teste também contou com um detector especial conhecido como WASA, originalmente desenvolvido em Uppsala, na Suécia. Este instrumento permite aos cientistas detectar prótons de alta energia saindo do alvo e detectar sinais que indicam a criação e captura de um méson η′ dentro do núcleo. Esses sinais, conhecidos como assinaturas de decaimento, foram importantes para detectar condições externas.
“Com a nossa nova configuração experimental combinando FRS e WASA, podemos identificar estruturas nos dados que correspondem à assinatura teórica dos núcleos η′-mésicos”, explica o autor principal Ryohei Sekiya. “Nossa análise sugere que esses estados vinculados foram de fato formados”.
O que os resultados revelam sobre a massa
Os espectros de excitação medidos experimentalmente de núcleos de carbono mostram padrões consistentes com a formação de núcleos η′-mésicos. Os resultados também sugerem que a massa do méson η′ pode diminuir quando está dentro da matéria nuclear. Esta descoberta apoia previsões teóricas e fornece uma visão experimental rara sobre como as propriedades das partículas podem mudar sob condições extremas.
“Nossas medições fornecem novas pistas importantes sobre como os mésons se comportam na matéria nuclear”, disse Itahashi. “Isto aproxima-nos da resposta a questões profundas e fundamentais sobre como a matéria adquire massa, bem como sobre como a estrutura do vácuo muda dentro do núcleo atómico.”
O que vem a seguir?
A equipe planeja realizar mais experimentos para melhorar a precisão das medições e procurar sinais de decaimento adicionais que possam confirmar a existência de núcleos η′-mésicos. Cada novo resultado ajudará a refinar a nossa compreensão das leis fundamentais que regem a matéria e o universo.
O artigo, “Espectros de excitação de reações 12C (p, d) perto do limiar de emissão do méson η’ medido coincidentemente com prótons de alta velocidade” foi publicado. Carta de revisão física.
