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Exibição do evento do excesso de pares de quarks top. (Imagem: colaboração CMS/CERN)
A colaboração CMS no CERN observou uma característica inesperada nos dados produzidos pelo Grande Colisor de Hádrons (LHC), que pode indicar a existência da menor partícula composta já observada. O resultado, relatado na conferência Rencontres de Moriond, nos Alpes Italianos, esta semana, sugere que os quarks top – as partículas elementares mais pesadas e de vida mais curta – podem se emparelhar momentaneamente com suas contrapartes de antimatéria para produzir um objeto chamado topônio. Outras explicações não podem ser descartadas, no entanto, visto que a existência do topônio foi considerada muito difícil de verificar no LHC, e o resultado precisará ser examinado mais detalhadamente pelo experimento irmão do CMS, o ATLAS .
Colisões de alta energia entre prótons no LHC produzem rotineiramente pares quark-antiquark top (barra tt). Medir a probabilidade, ou seção transversal, da produção de barras tt é um teste importante do Modelo Padrão da física de partículas e uma maneira poderosa de buscar a existência de novas partículas que não são descritas pela teoria de 50 anos. Muitas das questões em aberto na física de partículas, como a natureza da matéria escura , motivam a busca por novas partículas que podem ser pesadas demais para terem sido produzidas em experimentos até o momento.
Pesquisadores do CMS estavam analisando uma grande amostra de dados de produção de tt-bar coletados entre 2016 e 2018 em busca de novos tipos de bósons de Higgs quando avistaram algo incomum. Partículas semelhantes ao Higgs adicionais são previstas em muitas extensões do Modelo Padrão. Se existirem, espera-se que tais partículas interajam mais fortemente com o quark top singularmente massivo, que pesa 184 vezes a massa do próton. E se forem massivas o suficiente para decair em um par quark top-antiquark, isso deve dominar a forma como decaem dentro dos detectores, com os dois quarks massivos se fragmentando em "jatos" de partículas.
Observar mais pares top-antitop do que o esperado é, portanto, frequentemente considerado uma prova cabal da presença de bósons semelhantes ao Higgs. Os dados do CMS mostraram exatamente esse excedente. Curiosamente, no entanto, a colaboração observou o excesso de pares top-quark na energia mínima necessária para produzir um par de quarks top. Isso levou a equipe a considerar uma hipótese alternativa, há muito considerada difícil de detectar: uma união de curta duração entre um quark top e um antiquark top, ou topônio.
Embora os pares tt-barra não formem estados ligados estáveis, cálculos em cromodinâmica quântica – que descrevem como a força nuclear forte liga quarks a hádrons – preveem aumentos no estado ligado no limiar de produção tt-barra. Embora outras explicações – incluindo um bóson elementar, como o que aparece em modelos com bósons de Higgs adicionais – não possam ser descartadas, a seção transversal que o CMS obtém para uma hipótese simplificada de produção de topônio é de 8,8 picobarns com uma incerteza de cerca de 15%. Isso ultrapassa o nível de certeza de "cinco sigma" necessário para afirmar uma observação em física de partículas e torna extremamente improvável que o excesso seja apenas uma flutuação estatística.
Se o resultado for confirmado, o topônio seria o exemplo final de quarkonium — um termo para estados quark-antiquark instáveis formados a partir de pares dos quarks mais pesados charm, bottom e talvez top. O charnônio (charm-anticharm) foi descoberto simultaneamente no Laboratório Nacional de Aceleradores de Stanford, na Califórnia, e no Laboratório Nacional de Brookhaven, em Nova York, na Revolução de Novembro na física de partículas de 1974. O bottomônio (bottom-antibottom) foi descoberto no Laboratório Nacional de Aceleradores Fermi, em Illinois, em 1977. O charnônio e o bottomônio têm aproximadamente 0,6 e 0,4 femtômetros de tamanho, respectivamente, onde um femtômetro é um milionésimo de um nanômetro. Acredita-se que o bottomônio seja o menor hádron já descoberto. Dada sua massa maior, espera-se que o topônio seja muito menor — qualificando-o como o menor hádron conhecido.
Por muito tempo, acreditou-se que os estados ligados do topônio eram improváveis de serem detectados em colisões hádron-hádron. O quark top decai em um quark bottom e um bóson W no tempo que a luz leva para viajar apenas 0,1 femtômetro – uma fração do tamanho da própria partícula. O topônio seria, portanto, único entre os quarks, pois seu decaimento seria desencadeado pela desintegração espontânea de um de seus quarks constituintes, e não pela aniquilação mútua de seus componentes de matéria e antimatéria.
O CMS e o ATLAS estão agora trabalhando em conjunto para estudar o efeito, que continua sendo uma questão científica em aberto.
Para mais detalhes, consulte o relatório completo na revista CERN Courier ou visite o site do CMS .
Dados do experimento CMS no Grande Colisor de Hádrons do CERN revelam um intrigante excesso de pares de quarks top, sugerindo a primeira observação de uma partícula composta com propriedades únicas
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Web Science Academy; Hélio R.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos de Economia, Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia Climatologia).
Participou do curso (EAD) de Astrofísica, concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).
>Autor de cinco livros, que estão sendo vendidos nas livrarias Amazon, Book Mundo e outras.
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