Este mês é um momento de comemoração. O CERN acaba de anunciar a invenção de quatro novas partículas para o Grande Colisor de Hádrons (LHC) em Genebra.

Isso significa que o LHC agora o encontrou um totalidade de 59 novas partículas, Em soma ao Bóson de Higgs, vencedor do Prêmio Nobel, desde que começou a colidir com prótons (partículas que compõem o núcleo atômico junto com os nêutrons) em 2009.

É empolgante, embora se esperasse que algumas dessas novas partículas fossem baseadas em nossas teorias estabelecidas, algumas se mostraram totalmente mais surpreendentes.

O objetivo do LHC é explorar a estrutura da material nas distâncias mais curtas e nas energias mais altas já testadas em laboratório, provando nossa melhor teoria da natureza atual: o protótipo padrão da física de partículas. E o LHC entregou a mercadoria, o que permitiu aos cientistas para desvendar o bóson de Higgs, a última peça que faltava no protótipo. Dito isso, a teoria ainda está longe de ser totalmente compreendida.

Uma de suas características mais problemáticas é a descrição da grande força que mantém coeso o núcleo atômico. O núcleo é formado por prótons e nêutrons, que por sua vez são compostos por três pequenas partículas chamadas quarks (Existem seis tipos diferentes de quarks: up, down, charme, estranho, top e bottom).

Se desligássemos a força possante por um segundo, toda a material se desintegraria imediatamente em uma sopa de quarks soltos, um estado que existiu por um momento fugaz no início do universo.

Não se engane: a teoria da interação possante, pretensiosamente chamada de “cromodinâmica quântica“, tem uma base muito sólida. Descreve uma vez que os quarks interagem por meio de uma força possante trocando partículas chamadas glúons. Você pode pensar nos glúons uma vez que análogos do fóton mais espargido, a partícula de luz e o portador de força. eletromagnético.

No entanto, a maneira uma vez que os glúons interagem com os quarks faz com que a força possante se comporte de maneira muito dissemelhante do eletromagnetismo. Embora a força eletromagnética se torne mais fraca quando você separa duas partículas carregadas, a força possante se torna mais possante quando você separa dois quarks.

uma vez que resultado, os quarks ficam bloqueados para sempre dentro de partículas chamadas hádrons (partículas compostas por dois ou mais quarks) que incluem prótons e nêutrons. A menos, é simples, que você os abra em velocidades incríveis, uma vez que estamos fazendo no Cern.

Para complicar ainda mais as coisas, todas as partículas do protótipo padrão eles têm antipartículas que são quase idênticos a si mesmos, mas com a fardo oposta (ou outra propriedade quântica). Se você remover um quark de um próton, a força eventualmente será possante o suficiente para produzir um par quark-antiquark, e o quark recém-criado entrará no próton.

Você vai perfazer com um próton e um novo “meson”, uma partícula feita de um quark e um antiquark. Pode parecer estranho, mas de convénio com a mecânica quântica, que governa o universo nas menores escalas, as partículas podem trespassar do espaço vazio.

Isso foi provado repetidamente por meio de experimentos – Nunca vimos um quark solitário. Uma particularidade repugnante da teoria da força é que os cálculos do que seria um processo simples no eletromagnetismo podem perfazer sendo complicados. Portanto, não podemos provar (ainda) teoricamente que os quarks não podem viver por conta própria.

Pior, não podemos nem mesmo calcular quais combinações de quarks seriam viáveis ​​por natureza e quais não seriam.

Ilustração de um tetraquark.  (CERN)Ilustração de um tetraquark. (CERN)

Quando os quarks foram descobertos pela primeira vez, os cientistas perceberam que, em teoria, várias combinações devem ser possíveis. Isso incluía pares de quarks e antiquarks (estalagens); três quarks (bárions); três antiquarks; dois quarks e dois antiquarks (tetraquarks); e quatro quarks e um antiquark (pentaquarks), desde que o número de quarks menos os antiquarks de cada combinação seja um múltiplo de três.

Por muito tempo, exclusivamente bárions e estalagens foram vistos em experimentos. Mas em 2003, o experimento Belle no Japão descobriu uma partícula isso não cabia em lugar nenhum. Acabou sendo o primeiro de uma longa série de tetraquarks.

Em 2015, o experimento LHCb no LHC descobriu dois pentaquarks.

As quatro novas partículas que descobrimos recentemente eles são todos tetraquarks com um par de quarks encantadores e mais dois quarks. Todos esses objetos são partículas da mesma forma que o próton e o nêutron. Mas eles não são partículas fundamentais: quarks e elétrons são os verdadeiros blocos de material.

imagem 3Há um pentaquark firmemente (supra) ou fracamente amarrado (veja a imagem aquém)? (CERN)

Novas partículas adoráveis

O LHC já descobriu 59 novos hádrons. Isso inclui os tetraquarks descobertos mais recentemente, mas também novas estalagens e bárions. Todas essas novas partículas contêm quarks pesados ​​uma vez que “magia” e “fundo”.

Esses hádrons são interessantes para estudar. Eles nos dizem o que a natureza considera razoável uma vez que uma combinação obrigatória de quarks, mesmo que exclusivamente por períodos muito curtos.

Eles também nos dizem o que a natureza não gosta. Por exemplo, por que todos os tetra e pentaquarks contêm um par de quarks charme (com exclusivamente uma exceção)? E por que não há partículas correspondentes com pares estranhos de quark? Atualmente não há explicação.

O pentaquark é uma molécula?  Um méson (à esquerda) que interage com um próton (à direita).  (CERN)O pentaquark é uma molécula? Um méson (à esquerda) que interage com um próton (à direita). (CERN)

Outro mistério é uma vez que essas partículas são unidas por uma força possante. Uma escola de teóricos os considera objetos compactos, uma vez que o próton ou o nêutron.

Outros afirmam que são semelhantes às “moléculas” formadas por dois hádrons pequenos. Cada hádron recém-revelado nos permite fazer experiências para medir sua tamanho e outras propriedades, que nos dizem uma vez que a força possante se comporta. Isso ajuda a preencher a vazio entre experimento e teoria. Quanto mais hádrons pudermos encontrar, melhor poderemos ajustar os modelos aos fatos experimentais.

Esses modelos são cruciais para saber o objetivo final do LHC: encontrar a física além do protótipo padrão. Apesar de seus sucessos, o protótipo padrão certamente não é a última termo para entender as partículas. É por exemplo incompatível com modelos cosmológicos descrevendo a formação do universo.

O LHC está procurando novas partículas fundamentais que possam explicar essas discrepâncias. Essas partículas podem ser visíveis no LHC, mas escondidas no fundo das interações das partículas. Ou podem desabrochar uma vez que pequenos efeitos mecânicos quânticos em processos conhecidos.

Em ambos os casos, é necessário um melhor entendimento da força possante para encontrá-los. A cada novo hádron, melhoramos nosso conhecimento das leis da natureza, o que nos leva a uma melhor descrição das propriedades mais fundamentais da material.A conversa

Patrick Koppenburg, Pesquisador em física de partículas, Instituto pátrio Holandês de Física Subatômica eu Harry Cliff, Físico de partículas, Universidade de Cambridge.

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