Partículas exóticas: estados exóticos que compreendem ligações de mais de três quarks confirmados

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Crédito: Forschungszentrum Jülich / SeitenPlan (CC BY 4.0, http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

Artigo traduzido de Science Daily.

Por décadas, os físicos têm procurado em vão por estados exóticos com mais de três quarks. Experimentos realizados no acelerador COSY de Jülich têm mostrado agora que, na verdade, que essas partículas complexas existem na natureza. Esta descoberta feita pela colaboração WASA-at-COSY foi publicada na revista Physical Review Letters. As medições confiram os resultados a partir de 2011, quando os mais de 120 cientistas de oito países descobriram pela primeira vez fortes indícios para a existência de um dibaryon exótico composto por seis quarks.

Durante muito tempo, os físicos só foram capazes de verificar de forma confiável duas classes diferentes de hádrons: mésons voláteis que compõem-se de um quark e um antiquark e bárions composto por três quarks. Prótons e nêutrons, que compõem o núcleo atômico, são exemplos deste último. Nos últimos anos, contudo, tem havido cada vez mais provas da existência de outros tipos de hadríons, por exemplo, híbridos, glueballs e multiquarks. Em 1964, o físico Freeman Dyson foi o primeiro a prever tais estados mais complexos. Mas qualquer verificação confiável revelou-se ser impossível por muitos anos, porque quase nenhuma medição poderia ser reproduzida.

Só recentemente, outros grupos de pesquisa – de forma independente um do outro – encontraram fortes indícios de partículas exóticas, de curta duração, compreendendo quatro quarks, chamados “tetraquarks”. O novo estado ligado, o que já foi verificado em COSY, significa que ainda outra classe de partículas exóticas foi identificada. “A nova ressonância que observamos confirma que quarks realmente existem em grupos de seis. Esta descoberta poderia abrir a porta para novos fenômenos físicos”, diz o porta-voz do grupo, o Prof Heinz Clement, da Universidade de Tübingen.

A estrutura, que foi descoberta pela primeira vez em 2011, é extremamente curta e só pode ser detectada por meio de seus produtos de decaimento. O estado transitório intermediário – termo técnico: ressonância – existe por meros cem sextilionésimos (10 elevado à 23 de um segundo) antes de decair. Este intervalo de tempo é tão curto que, por exemplo, a luz pode percorrer apenas uma distância equivalente ao diâmetro de um pequeno núcleo atômico.

Se a ligação de todos os seis quarks formam uma entidade compacta simples, ou melhor, uma “molécula hadrônica”, ainda não foi esclarecida. Este último seria composto por vários blocos de construção nuclear – por exemplo, de prótons e nêutrons animados ligados uns aos outros – ainda muito mais fortemente do que no interior de um núcleo atômico. “As medições que realizamos no COSY em 2011 já eram muito precisas. Mas por as experiências não poderem ser repetidas em qualquer outro acelerador de todo o mundo, nós tivemos que vir para cima com outro experimento para verificar os resultados”, explica o Prof Hans Ströher, diretor no Instituto de Física Nuclear (IKP-2) em Jülich.

A fim de ganhar mais uma prova inequívoca da ressonância exótica chamada d*(2380), os cientistas examinaram a faixa de energia relevante em um experimento de espalhamento elástico. Eles bombardearam um alvo de prótons com polarizados, núcleo de hidrogênio pesado conhecido como deutério. O estado exótico formado durante a colisão influencia o ângulo com o qual as partículas se movem para longe uma da outra após a colisão, permitindo assim que ele seja identificado. “Os resultados são parte de um quadro maior. Se esta partícula existe, então, teoricamente, toda uma gama de outros estados exóticos pode ser esperados”, diz o diretor do Jülich IKP-1 Prof James Ritman. O físico nuclear está a cargo da contribuição de Jülich ao detector PANDA na Feira Internacional do complexo de aceleradores em Darmstadt, onde tais estruturas exóticas serão exploradas em mais detalhes.

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