Medidas realizadas no Rio ajudam a entender a física do quark charm

A convite do Núcleo de Comunicação Social, Alberto Correa dos Reis, pesquisador titular do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), no Rio de Janeiro (RJ), escreve sobre resultados que ele e colegas publicaram recentemente e que representam um avanço significativo no entendimento da física de um dos componentes elementares da matéria, o chamado quark charm .

A colaboração LHCb ‒ um dos quatro grandes experimentos do acelerador de partículas LHC (sigla, em inglês, para Grande Colisor de Hádrons), no Centro Europeu de Pesquisas Nucleares (CERN), na Suíça ‒ destacou, em sua página, o resultado de medidas muito precisas do modo como certas partículas subatômicas ‒ os chamados mésons D ‒ desintegram-se.

O trabalho foi realizado por uma equipe composta por pesquisadores do CBPF, da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio) e da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ). Esses resultados serão publicados em breve no periódico Journal of High Energy Physics .

Para entender esses resultados, alguns conceitos merecem ser esclarecidos. Nossa compreensão atual sobre a estrutura da matéria está condensada no que os físicos de altas energias chamam Modelo Padrão (MP). Toda a matéria do universo visível é formada por partículas chamadas quarks e léptons.

Os quarks são partículas elementares, ou seja, não têm uma estrutura interna observável. São dotados de propriedades incomuns: possuem cargas elétricas fracionárias (+1/3 ou -2/3 da carga do elétron) e nunca podem ser observados isoladamente. Sempre formam partículas compostas chamadas hádrons, dos quais os mais conhecidos são os prótons e nêutrons.

A outra família de partículas elementares no MP são os léptons, dos quais os mais conhecidos são os elétrons e os neutrinos. Ao contrário dos quarks , os léptons podem ser observados isoladamente. Quarks e léptons são, portanto, os constituintes mais elementares da matéria conhecida.

Cada partícula elementar tem sua antipartícula correspondente, como uma imagem no espelho. A antipartícula é em quase tudo idêntica à partícula, exceto por algumas propriedades quânticas que são invertidas, como a carga elétrica, por exemplo. Há, portanto, os quarks e seus antiquarks , assim como os léptons e seus antiléptons.

Mensageiros subatômicos

As partículas elementares podem interagir de quatro maneiras conhecidas. A interação (ou ‘força’) eletromagnética e a gravitacional fazem parte do nosso dia a dia. Os outros dois tipos de interação são menos conhecidos: a interação fraca, responsável pela radioatividade, e a interação forte, que mantém prótons e nêutrons unidos nos núcleos atômicos. A interação fraca é comum a quarks e léptons, mas a forte é exclusiva dos quarks .

No mundo microscópico ‒ domínio da teoria quântica ‒, as partículas elementares interagem trocando entre si um terceiro tipo de partícula, os chamados bósons intermediários. São os ‘mensageiros’ da interação.

Há bósons intermediários específicos para cada tipo de interação. As interações fortes são transmitidas por partículas chamadas glúons (do inglês glue , cola), que cumprem o papel de manter os quarks ligados entre si dentro dos hádrons. Agem como se fossem molas que se tornam muito rígidas quando os quarks se afastam.

Conhecemos seis tipos de quarks : up, down, strange, charm, beauty e top. Os três últimos são chamados quarks pesados por terem massa maior que a do próton. Os quarks pesados têm um tempo de vida da ordem de 0,000.000.000.001 segundo (cerca de um trilionésimo de segundo). Mesmo assim, são considerados partículas estáveis.

Os quarks pesados se desintegram ‒ ou decaem, na linguagem dos físicos de altas energias ‒, dando origem a um quark mais leve e a duas outras partículas, que podem ser tanto um quark e um antiquark quanto um lépton e um neutrino. A interação fraca é a responsável pelo decaimento dos quarks pesados.

Modelo Padrão: quarks, léptons e bósons intermediários

(Crédito: Wikimedia commons)

Decifrando o enigma

Chegamos finalmente ao ponto em que decifraremos a frase um tanto enigmática do início deste texto. Há vários tipos de hádrons. Os mais comuns são os mésons, formados por um quark e um antiquark, e os bárions, constituídos por três quarks . O píon foi o primeiro méson conhecido, descoberto, na segunda metade da década de 1940, pelo físico brasileiro Cesar Lattes (1924-2005), um dos fundadores do CBPF. O próton e o nêutron são os bárions mais conhecidos.

No LHC, o grande acelerador do CERN, dois feixes de prótons circulam em sentidos opostos. Em quatro pontos específicos esses feixes colidem. Envolvendo esses locais, foram construídos quatro grandes detectores. Um deles é o LHCb, que estuda as propriedades dos quarks charm e beauty (c e b). Com a energia liberada na colisão entre os feixes, dezenas, ou mesmo centenas de partículas são produzidas, dentre elas  mésons e bárions contendo pelo menos um quark c ou b.

Visão geral do detector (ou experimento) LHCb, no CERN (Suíça)

(Crédito: LHCb Collaboration/CERN)

Os chamados mésons D (ou mésons charmosos) são partículas compostas por um quark c e um antiquark leve (ou seja, mais leve que o próton). Existem o méson D ⁺ (formado por um c + anti down ), o D ⁰ (c + anti up ) e o D ⁺ _s (c + anti strange ). Essas são as partículas estudadas pelo grupo brasileiro do CBPF, da PUC e UFRJ.

Quando o quark c decai, o méson D se desintegra, formando mésons mais leves. Há centenas de combinações possíveis de mésons leves ‒ também referidas como modos de decaimento. O termo ‘razão de ramificação’ é usado pelos físicos de altas energias para indicar a probabilidade de um determinado modo de decaimento ocorrer.

Os mésons, na verdade, são sistemas altamente complexos. Para entender a dinâmica que rege o decaimento dessas partículas ‒ ainda um desafio para os físicos ‒, é necessário conhecer com precisão as razões de ramificação dos vários modos de decaimento. A medida feita no Rio de Janeiro reduziu em cerca de 40 vezes a incerteza no valor da razão de ramificação de um conjunto desses modos de decaimento, considerados raros até recentemente (razões de ramificação da ordem de 0,001%).

Por fim, vale destacar que esse resultado representa um avanço significativo no entendimento da física do quark charm .

Alberto Correa dos Reis

Pesquisador titular

CBPF

Mais informações:

Artigo original: https://arxiv.org/abs/1810.03138

Notícia na página do LHCb: http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/Welcome.html#LHCCCKM