Cientistas do Grande Colisor de Hádrons na Suíça descobriram uma nova partícula – ou uma combinação de partículas. Ela não terá o mesmo impacto que o Bóson de Higgs (aquele que as pessoas chamaram de partícula de deus) teve há cinco anos, mas chamou a atenção, e muita gente está lembrando de uma série de resultados controversos de um experimento antigo.
A partícula em questão é um arranjo entre três quarks chamados Ξcc++ ou “Xi cc ++” e foi descoberta pelo detector LHCb do Grande Colisor de Hádrons. Talvez você se lembre de que os núcleos de um átomo consistem de prótons e nêutrons. Os prótons possuem dois quarks up, dois quarks down e uma unidade positiva de carga elétrica. Os nêutrons possuem um quark up e dois quarks down, e sua carga é zero. A nova partícula xi consiste de um quark up e dois quarks de um tipo muito pesado, o chamado quark charm, e sua carga é igual a dois.
“Produzimos quarks charm em pares, mas ter dois quarks charm na mesma partícula é muito raro”, disse o físico Patrick Koppenburg, do Nikhef, o Instituto Nacional Alemão para Física Subatômica, ao Gizmodo. O quark charm corresponde a um dos seis tipos possíveis de quarks, incluindo o up, down, charm, strange, top and bottom. Os mais pesados são o charm, bottom [também chamado de beauty] e o top [também chamado de truth], mas o top é provavelmente o mais pesado para se arranjar com outros quarks, explicou o físico. Os outros quarks, teoricamente, devem conseguir se arranjar em grupos de dois, três, quatro ou cinco, ou até mesmo em uma espécie de quark líquido, se as coisas ficarem quentes o suficiente.
Mas “a maioria dessas partículas” com três ou mais quarks “contendo dois quarks pesados, o charm ou beauty, ainda não foi encontrada”, disse Koppenburg. “Esse é o primeiro nesse sentido.”
De certo modo, disse Koppenburg, existe um resultado já contestado em 2002, quando a colaboração SELEX no Fermilab, em Illinois, anunciou que encontrou uma partícula relacionada, chamada de Ξcc+. É uma partícula xi com uma única carga e dois charms (ou seja, apenas um sinal positivo, em vez de dois). A partícula também tem dois quarks charm, mas tem, em vez disso, um quark down e um quark up como a nova partícula xi do LHCb. O xi com único sinal positivo tem uma carga elemental um, como um próton.
Koppenburg disse que diversos outros experimentos falharam em reproduzir a partícula da SELEX. E essa nova partícula cria ainda mais dúvidas sobre a descoberta do grupo. “Essa partícula”, do LHCb, “tem uma massa tão diferente da massa encontrada pela colaboração SELEX que torna a descoberta deles improvável”, conta Koppenburg. A nova partícula xi pesa cerca de 3600 MeV, ou quatro vezes a massa de um próton. A partícula xi similar da SELEX pesa cerca de 100 MeV menos, apesar de diferir em composição apenas pelos quarks up e quarks down.
O novo artigo do CERN, que será publicado na próxima edição da Physical Review Letters, aponta que tentativas passadas de recriar a partícula xi da SELEX foram tipos diferentes de experimentos em relação aos utilizados pelo grupo, então esses “resultados nulos não excluem as observações originais”.
Eu procurei James Russ, professor de física do Carnegie Mellon University e um dos porta-vozes da SELEX, que estava começando a ler o novo artigo quando eu o liguei. Ele me lembrou que as duas partículas em questão são diferentes e que os resultados obtidos pela SELEX foram muito limpos. Ele defendeu a partícula observada em seu experimento, mas comentou que os resultados do LHCb são certamente importantes. “Ter uma nova observação irá levar a teoria para uma certa direção, então definitivamente essa é uma observação importante”, comentou.
Quando Russ terminou de ler o artigo do LHCb, disse ao Gizmodo: “A observação do LHCb é muito sólida”. Até a terceira unidade, quarks mais leves causam uma grande diferença de massa, e ele disse que é improvável que isso esteja relacionado às diferenças decorrentes das propriedades dos quarks. “Ambos os experimentos parecem ter realizado suas análises corretamente”, afirmou. “Se ambas as partículas realmente existirem, existe uma questão teórica sobre como sistemas de dois quarks-charm-charm podem se comportar de maneira tão diferente.”
Nada disso é fácil. Cientistas estão procurando por partículas incrivelmente evasivas que existem durante menos do que um picossegundo, ou um trilionésimo de segundo. Mas uma vez que elas estejam se movimentando próximas da velocidade da luz, elas ainda viajam alguns milímetros antes de se decomporem em partículas detectadas pelas trilhas que deixam no experimento LHCb. Partículas específicas podem desencadear um gatilho que permite ao experimento saber que os dados precisam ser mantidos para analisar o evento posteriormente. Reconstruir as trilhas específicas das partículas deixadas para trás permite que os cientistas determinem se conseguiram detectar a partícula xi.
E essa partícula precisa emergir como um sinal por cima de todo o ruído de fundo causado por outras físicas e outras partículas que viajam através do detector. Nesse caso, os cientistas viram uma relevância “12-sigma”, o que significa que é incrivelmente improvável que suas observações tenham sido ruídos aleatórios que só se pareceram com a nova partícula xi.
Independentemente de resultados passados, os cientistas da LHCb com quem conversei apontaram que essa nova partícula lhes permitirá entender melhor a física das partículas em geral e continuar a refinar suas teorias sobre o que acontece com os quarks quando eles se juntam.
“Estamos entendendo que existem estruturas mais complicadas na natureza do que imaginávamos”, disse Sheldon Stone, físico da Universidade Syracuse, ao Gizmodo. A nova partícula xi pode não existir realmente na Terra, exceto durante os experimentos, mas provavelmente existiu logo depois do Big Bang, quando as coisas eram muito mais quentes e próximas umas das outras. Entender as maneiras como os quarks podem se arranjar talvez nos ofereça ainda mais descobertas sobre a física dessa era primordial.
E, embora refutar uma teoria seja emocionante, o novo xi parece ser muito aguardado pelos teóricos, disse Stone.
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