Quarks e as novas conexões do quebra-cabeça hadrônico

A convite do Núcleo de Comunicação Social, André Massafferri, pesquisador da Coordenação de Física de Altas Energias do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (COHEP/CBPF), no Rio de Janeiro (RJ), fala sobre as recentes descobertas de um pentaquark e dois tetraquarks, divulgadas pelo experimento Large Hadron Collider beauty (LHCb). 

Recentemente, o LHCb, um dos grandes experimentos instalados no acelerador de partículas LHC, na Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear (CERN), anunciou a observação de um estado pentaquark e dois tetraquarks, feito de grande importância para a física de partículas, em uma área denominada física hadrônica. Esta área estuda os hádrons, estruturas da natureza que sofrem a ação da interação forte, força responsável pela coesão do núcleo atômico. Mas de que os hádrons são feitos?

Quarks

Nas décadas de 1950 e 1960, experimentos envolvendo aceleradores de partículas e raios cósmicos observaram uma enorme quantidade de hádrons. Em 1964, os físicos estadunidenses Murray Gell-Mann (1929-2019) e George Zweig propuseram reorganizar esses hádrons em função de quantidades com carga elétrica fracionária: os quarks.

Suas diferentes combinações eram capazes de representar todos os hádrons conhecidos, utilizando arranjos contendo três quarks (bárions) – como prótons e nêutrons –, e arranjos com dois quarks (mais precisamente, de um quark com um antiquark – os mésons). Entretanto, também permitiam configurações mais “exóticas”, com número maior de quarks, como tetraquarks e pentaquarks.

Com o passar do tempo, os dados experimentais confirmaram que os quarks não eram apenas uma representação matemática, e sim uma realidade física – a matéria-prima dos hádrons.

Cromodinâmica Quântica

Os modelos teóricos utilizados para a descrição da interação forte seguiram o mesmo caminho utilizado na descrição da interação eletromagnética, ainda que a anterior tratasse de processos muito mais intensos e de curto alcance. Enquanto no eletromagnetismo, o atributo essencial era a carga elétrica – cuja interação tinha o fóton (sem carga elétrica) como propagador – a interação forte requer três tipos de "cargas", denominadas cargas de cor, em analogia as três cores primárias – red(R), blue(B), green(G). Na interação forte, os propagadores desta interação, responsáveis pela ligação entre quarks são denominados glúons. Estes têm a peculiaridade de apresentarem “carga de cor”; portanto, também estão sujeitos à própria interação que eles propagam.  Essas características resultaram em uma teoria consistente, denominada Cromodinâmica Quântica (QCD, na sigla em inglês), que explicou o fato dos quarks não poderem ser observados livres na Natureza.

Hoje sabemos que os hádrons são formados por composições de quarks, dentre os seis conhecidos – up(u), down(d), strange(s), charm(c), bottom(b) e top(t) – e de glúons, que mantém os quarks ligados fortemente na forma de hádrons, numa combinação neutra de cor. Como exemplo, o próton, de composição uud, tem necessariamente que possuir cores distintas em cada um dos seus três quarks para ser neutro de cor. Da mesma forma, o píon, ud(bar) – importante méson descoberto pelo físico e fundador do CBPF Cesar Lattes (1924-2005) em 1947 – pode ter quaisquer das três combinações quark/antiquark RR(bar), BB(bar) e GG(bar).

Os primeiros hádrons exóticos e suas interpretações

Demorou 50 anos, desde a proposta inicial dos quarks, para os físicos obterem evidências experimentais da existência de tetra e pentaquarks. Em 2014, o experimento LHCb anunciou a observação do primeiro tetraquark e em 2015 relatou evidências fortes de dois pentaquarks, ambos como estados intermediários de decaimentos de mésons contendo o quark b, sua especialidade. Nos últimos 10 anos, mais de 60 hádrons foram descobertos, 59 no experimento LHCb, destes, 16 são considerados exóticos. À medida que a hipótese dos hádrons exóticos vai se confirmando, os esforços dos cientistas vão se concentrando na procura dos estados previstos teoricamente, mas ainda não observados experimentalmente, e na busca de mais detalhes sobre sua natureza.

Segundo a QCD, em princípio, tetraquarks e pentaquarks poderiam formar, cada um, dois subsistemas de cor neutra. Em contraste com a ideia de quarks que se atrairiam fortemente, esse fato suscita a ideia de um modelo “molecular”, em referência à ligação elétrica residual entre átomos neutros na formação de moléculas. Nesta interpretação, hádrons exóticos seriam organizados como pares méson/méson, no caso dos tetraquarks, e bárion/méson, no caso dos pentaquarks, que se atraem mutuamente trocando estruturas de cores neutras, uma ideia proposta pela primeira vez em 1935 pelo físico japonês Hideki Yukawa (1907-1981) para explicar a atração entre prótons e nêutrons dentro do núcleo atômico. Espera-se, portanto, que os “hádrons exóticos moleculares” sejam apenas fracamente ligados e tendam a possuir configurações mais simples, como as encontradas em ressonâncias escalares.

Novidades do LHCb

O experimento LHCb anunciou recentemente fortes indicações da observação do primeiro pentaquark contendo o quark s, batizado de P_Ψs0 (composto pelos quarks c cbar u d s). Para esta observação foi utilizada a técnica de Dalitz Plot, muito empregada pelo grupo de sabores pesados do CBPF, que analisa o que os físicos de partículas chamam de “espaço-de-fase” do decaimento – conjunto de possibilidades para as velocidades das partículas do estado-final, ou configurações cinemáticas permitidas, tendo em vista a energia disponível no processo, dada pela massa da partícula inicial.

Esta técnica explora o fato de que a dinâmica de decaimentos de três corpos provenientes de hádrons sem spin pode ser diretamente estudada a partir das não uniformidades em seu espaço-de-fase. A massa medida para o P_Ψs0 – de 4,338 GeV – sugere uma interpretação molecular de pouca energia de ligação interna, já que é levemente superior à soma das massas das partículas charmosas de mesma composição de quarks, Ξc(udc) e D−(cbar d).

Representação artística da dinâmica de decaimento e espaço-de-fase 
Créditos: NCS/CBPF.

Outro trabalho recente do experimento LHCb foi a publicação de dois tetraquarks, Tcs(2900) neutro e Tcs(2900)++, parceiros do ponto de vista dos grupos de simetria. Para a medição a mesma técnica de Dalitz Plot descrita acima foi aplicada aos decaimentos B0 em D0 Ds+ pi- e B+ em D- Ds+ pi+. Se confirmado em outros processos, esse será o primeiro tetraquark duplamente carregado observado.

Essas novas descobertas indicam que o quebra-cabeça da física hadrônica segue continuamente sendo montado, comprovando antigas e boas ideias.

Espectro de massa de J/Ψ Λ no decaimento B+ em J/Ψ Λ próton. A estrutura pentaquark fica evidente, em rosa, como um aumento do número de eventos em alta massa.

Projeções de massa no espectro de massa D+s π− e Ds+ π+ antes de inserção das novas componentes tetraquarks. Em azul é ressaltada a região mal representada pelo modelo sem tetraquarks.

Projeções de massa no espectro de massa D+s π− e Ds+ π+ depois da inserção das novas componentes tetraquarks no modelo de ajuste.