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A Colaboração LHCb descobriu uma nova partícula composta por um quark estranho e dois quarks charm. Com essa descoberta, a Colaboração encontrou o último membro de uma família de bárions duplamente charm – partículas formadas por dois quarks charm e um outro quark – e encerra um capítulo de uma história que se estende por mais de sessenta anos.
Os quarks são os blocos de construção básicos da matéria. Existem seis tipos de quarks (up, down, charm, strange, top e bottom), que se ligam em pares ou trios, conhecidos como mésons e bárions, respectivamente. Há sessenta anos, quando os experimentos começaram a revelar a estrutura fundamental da matéria baseada nos quarks, os pesquisadores começaram a construir modelos teóricos para classificar como os quarks podem se combinar em partículas compostas. Logo, os cientistas foram capazes de prever as propriedades de partículas ainda não descobertas.
Em 1964, a descoberta de uma nova partícula no Laboratório Nacional de Brookhaven marcou um ponto de virada. Constituída por três quarks estranhos, essa partícula já havia sido prevista pelos teóricos, e a confirmação experimental de sua existência e propriedades demonstrou a robustez desses modelos teóricos.
Dez anos depois, em 1974, outra descoberta abalou o mundo da física de partículas ao revelar um quarto quark, o quark charm. Isso significava que os teóricos agora precisavam expandir seus modelos para acomodar as muitas novas combinações possíveis de quarks. Entre essas previsões estavam os bárions duplamente charm. Essas partículas são compostas por dois quarks charm e um quark up, down ou strange como o terceiro quark do tripleto. Os físicos estão particularmente interessados nessa família de partículas, pois as grandes diferenças de massa entre os quarks podem fornecer informações úteis sobre a força forte, que mantém os quarks unidos em partículas compostas.
No entanto, as experiências da época não conseguiam produzir os bárions duplamente encantados, nem possuíam equipamentos suficientemente sensíveis para detectá-los. Para efeito de comparação, a descoberta histórica da partícula composta por três quarks estranhos, em 1964, foi feita através da análise de 80.000 fotografias de colisões de partículas em câmaras de bolhas. Somente com as energias muito mais elevadas do Grande Colisor de Hádrons (LHC) e a análise de trilhões de colisões de partículas é que os pesquisadores começaram a procurar os bárions duplamente carregados de forma efetiva.
Comparação das técnicas de detecção de partículas em constante evolução. À esquerda: fotografia da descoberta, em 1964, de uma partícula composta por três quarks estranhos, utilizando uma câmara de bolhas (Imagem: Laboratório Nacional de Brookhaven). À direita: reconstrução de como a nova partícula, composta por dois quarks charm e um quark estranho, foi criada e detectada no experimento LHCb (Imagem: CERN).
A Colaboração LHCb descobriu o primeiro desses bárions duplamente encantados em 2017 e o segundo no início deste ano . Agora, 50 anos após sua primeira previsão, o terceiro e último membro dessa família de bárions duplamente encantados foi encontrado.
Esta descoberta baseia-se em dados coletados em 2024 a partir de colisões próton-próton de alta energia no LHC. Essas colisões produziram os novos bárions duplamente encantados, que têm vida curta, percorrendo uma fração de milímetro no detector antes de se desintegrarem em partículas mais estáveis. A Colaboração LHCb rastreou os rastros deixados por essas partículas no detector até seus pontos de origem. Isso revelou a assinatura característica da nova partícula de vida curta com uma massa distinta, cerca de quatro vezes maior que a de um próton.
“Este é um momento de grande importância histórica”, disse Paula Collins, futura porta-voz adjunta do experimento LHCb. “Das 85 partículas compostas descobertas até agora no LHC, esses três bárions duplamente encantados são únicos. Eles decaem pela força fraca e têm vida longa o suficiente para permitir medições de distâncias de voo em nosso experimento. A descoberta foi possível graças ao detector aprimorado do LHCb, com sua poderosa capacidade de rastrear e identificar partículas”.
Mas a história ainda não acabou. Pesquisas futuras usarão os dados mais recentes do experimento LHCb para realizar medições precisas das propriedades dessa nova partícula, incluindo sua massa e tempo de vida, e para refinar as dos outros bárions duplamente encantados. Além disso, ainda faltam observar as contrapartes excitadas dessas partículas, assim como novos bárions contendo quarks de beleza, seja em substituição ou em adição aos quarks de charme.
Com a transformação do LHC no LHC de Alta Luminosidade , o experimento LHCb planeja grandes atualizações em seus detectores na década de 2030. Os pesquisadores esperam que isso torne muitas dessas partículas ainda não detectadas acessíveis, permitindo que o LHCb inicie um novo capítulo na descoberta de partículas.
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Web Science Academy; Hélio R.M.Cabral (Economista, Escritor eDivulgador de conteúdos de Economia, Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia Climatologia). Participou do curso Astrofísica Geral no nível Georges Lemaître (EAD), concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).
Em outubro de 2014, ingressou no projeto S'Cool Ground Observation, que integra o Projeto CERES (Clouds and Earth’s Radiant Energy System) administrado pela NASA. Posteriormente, em setembro de 2016, passou a participar do The Globe Program / NASA Globe Cloud, um programa mundial de ciência e educação com foco no monitoramento do clima terrestre.
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