Uma colaboração internacional envolvendo cientistas ligados ao detector CMS, concebido para registrar e analisar as partículas produzidas nas colisões ocorridas no Grande Colisor de Hádrons (LHC, na sigla em inglês), alcançou um resultado importante na investigação de algumas das partes mais enigmáticas da matéria já observadas. Denominado “Determination of the spin and parity of all-charm tetraquarks”, o estudo, publicado recentemente na revista Nature, determinou propriedades quânticas fundamentais de estados exóticos formados exclusivamente por quarks charm.
Contando com a colaboração de pesquisadores brasileiros, como o físico Kevin Mota, professor da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (Uerj) e pesquisador na área de física de partículas e altas energias, o trabalho representa um avanço significativo na compreensão dos tetraquarks, como são chamadas as partículas que desafiam o modelo tradicional utilizado para classificar os elementos que constituem a matéria. Ao medir características como spin, paridade e conjugação de carga desses estados, os pesquisadores obtiveram evidências importantes sobre a estrutura interna dos tetraquarks, contribuindo para resolver um debate que mobiliza a física de partículas há tempos.
Para entender melhor os resultados dessa colaboração, a Sociedade Brasileira de Física (SBF) entrevistou Mota, que explicou que os tetraquarks são hádrons compostos por quatro quarks. “Eles são bem interessantes porque são entidades mais exóticas. A gente está acostumado com prótons, nêutrons e outros bárions ou mésons, que têm três ou dois quarks. Já os tetraquarks, e também os pentaquarks, são partículas mais complexas”, ele define.
Vale lembrar que, desde a formulação da teoria dos quarks, na década de 1960, prótons e nêutrons são compreendidos como sistemas formados por três quarks, enquanto os mésons são constituídos por um quark e um antiquark. A própria teoria, contudo, permite a existência de combinações mais raras, como tetraquarks e pentaquarks. Durante muito tempo, esses estados permaneceram apenas como previsões teóricas. Nos últimos anos, porém, aceleradores de partículas passaram a encontrar evidências de sua existência.
O estudo publicado na Nature concentra-se em um caso particularmente incomum: tetraquarks compostos apenas por quarks charm e antiquarks charm. Por serem muito mais pesados que os quarks que formam a matéria comum, esses tipos particulares de quarks permitem investigar a interação forte, como é denominada a força fundamental que mantém os quarks unidos.
“Essas partículas são estados mais pesados e o interessante é que, a partir delas, a gente pode estudar a interação forte de maneira mais interna”, pontua Mota. “O quark charm é mais pesado, então é mais difícil ele formar estados que seriam moleculares. Além disso, os cálculos teóricos da QCD são mais fáceis de serem realizados em regimes de energia mais alta”, acrescenta o professor da Uerj, referindo-se à sigla para a teoria da Cromodinâmica Quântica, que descreve justamente a interação forte.
Embora bem-sucedida, a QCD apresenta desafios matemáticos quando aplicada a sistemas complexos de quarks. Por isso, qualquer nova informação experimental sobre partículas exóticas é considerada valiosa.
Segundo Mota, a produção de um estudo desse porte envolve uma estrutura grandiosa de colaboração científica. “Numa colaboração como o CMS, a gente tem atualmente algo na ordem de cinco mil pesquisadores, engenheiros e estudantes”, calcula. Os participantes, ele informa, atuam em diferentes frentes. Alguns se dedicam à operação cotidiana dos detectores, outros trabalham em melhorias tecnológicas e atualizações dos equipamentos, enquanto grupos específicos realizam a análise dos dados coletados nas colisões de partículas.
“Geralmente a gente está inserido em vários desses contextos, tanto na parte de análise como na parte de operação e de upgrade. Cada um faz uma contribuição para que a gente possa chegar ao artigo”, descreve.
Antes da submissão à Nature, Mota conta que os resultados passam por um rigoroso processo interno de revisão. “Existe uma etapa que a gente chama de wide review. Em geral, toda a colaboração lê o artigo e dá sugestões e melhorias.”
A impressão digital das partículas
O principal objetivo do estudo foi determinar os chamados números quânticos dos tetraquarks observados. Essas propriedades funcionam como uma espécie de identidade das partículas. “Esses números quânticos ditam como as partículas se comportam e também as regras de seus decaimentos”, afirma Mota. “O JPC, que corresponde ao spin, à paridade e à conjugação de carga, funciona como uma impressão digital. Cada partícula tem um.”
A medição revelou que o estado estudado possui spin 2 e paridade e conjugação de carga positivas. Embora esse resultado possa parecer altamente técnico, ele fornece pistas decisivas sobre a organização interna dos tetraquarks.
“Além da massa, esses números são muito importantes. A partir deles, a gente pode dizer com mais certeza como é a estrutura interna desses estados.”
Ainda de acordo com Mota, existem duas interpretações principais para explicar a natureza dos tetraquarks. A primeira propõe que eles sejam sistemas compactos, nos quais os quatro quarks permanecem fortemente ligados em uma região muito pequena do espaço. A segunda sugere uma configuração semelhante a uma molécula, formada por duas partículas independentes fracamente ligadas.
“Tem um modelo que é chamado de compacto ou fortemente ligado”, explica o pesquisador. “Nele, você tem os quatro quarks interagindo em uma dimensão muito pequena.”
Já a hipótese molecular prevê uma estrutura diferente. “Nesse estado, você tem duas partículas ligadas a longa distância por uma energia residual. Esses objetos orbitam de forma mais parecida com um átomo. Segundo Mota, a determinação dos números quânticos permite testar essas hipóteses diretamente. “A partir da medição, a gente consegue excluir ou ter mais certeza, favorecer um modelo ou outro.”
Os resultados obtidos favorecem justamente a interpretação de que o tetraquark observado corresponde a um estado mais compacto e fortemente ligado. “Quando a gente mede que o tetraquark é um tetraquark de spin 2 e com paridade e conjugação de carga positivas, o modelo que fica mais favorecido é o modelo fortemente ligado.”
Outro aspecto interessante do trabalho foi a utilização de técnicas originalmente desenvolvidas para investigar o bóson de Higgs, partícula descoberta em 2012 e considerada uma das maiores realizações da física contemporânea. Segundo Mota, as semelhanças entre os processos de decaimento do Higgs e dos tetraquarks permitiram reaproveitar ferramentas já consolidadas.
“Essas técnicas são bem interessantes porque os decaimentos do tetraquark são muito parecidos com aqueles usados para descobrir se o Higgs medido era realmente o Higgs previsto pelo Modelo Padrão.”
No caso do Higgs, os pesquisadores analisavam eventos nos quais a partícula decaía em bósons Z, que posteriormente produziam quatro múons. Nos tetraquarks estudados agora, ocorre um processo análogo.
“A gente tem o tetraquark decaindo em dois J/ψ, e esses J/ψ decaem cada um em dois múons. No final, também aparecem quatro múons”, observa Mota. Tal semelhança permitiu reutilizar simuladores computacionais sofisticados e metodologias estatísticas já testadas em uma das análises mais importantes da história recente da física de partículas. “Todo o tratamento estatístico é bem parecido. Isso permitiu excluir hipóteses alternativas e encontrar a hipótese que aparentemente faz mais sentido, que é a de spin 2.”
Apesar do avanço, Kevin sublinha que a história dos tetraquarks está longe de terminar. Segundo ele, os pesquisadores acreditam que outros estados exóticos ainda aguardam confirmação experimental. “O interessante seria encontrar outros tetraquarks e determinar também quais são os números quânticos deles”, afirma Mota. “Assim a gente pode entender melhor como acontecem essas ligações.” As previsões teóricas da QCD indicam, por exemplo, a possível existência de tetraquarks com spin 0 e spin 1. “Seria muito interessante observar isso”, insere Mota.
Além dos tetraquarks, os cientistas também pretendem aprofundar os estudos sobre os pentaquarks, partículas ainda mais exóticas compostas por cinco quarks. Outro objetivo é aproveitar o enorme volume de dados acumulados pelo LHC desde 2018. “Nosso estudo utilizou dados coletados entre 2016 e 2018, mas hoje já temos conjuntos de dados muito maiores”, destaca o pesquisador. “Para melhorar a precisão das medidas, seria muito interessante usar esses dados mais novos e também os dados futuros.”
Seja como for, o resultado publicado na Nature representa mais um passo na revelação da identidade quântica de tetraquarks compostos exclusivamente por quarks charm. Com isso, o estudo ajudou a esclarecer como a força forte organiza a matéria em suas formas mais exóticas. E deixou mais uma vez evidente a contribuição da comunidade científica brasileira em uma das áreas mais intrigantes da física de partículas.
Por Leandro Haberli
