Recentemente anunciada pela colaboração internacional LHCb, que investiga quarks pesados na Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear (CERN, na sigla em francês), a observação da partícula Ξcc⁺ representa mais um passo no esforço contínuo da física para testar, com precisão crescente, o chamado Modelo Padrão (teoria que descreve as partículas fundamentais da matéria e as forças que atuam entre elas). Revelado no estudo Observation of the doubly charmed heavy proton Ξcc+, a observação da nova partícula contou com a colaboração da física brasileira Miriam Gandelman, doutora pelo Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas e professora da UFRJ.
Mais do que a identificação de uma nova partícula, a pesquisadora explica que o resultado do estudo sintetiza décadas de desenvolvimento tecnológico, colaboração internacional e formação científica. “Eu mesma comecei no CERN em 1992, quando vim fazer um doutorado sanduíche. Fiquei dois anos e meio trabalhando na construção do detector da época”, relembra, em entrevista concedida à SBF diretamente do laboratório situado na região de Genebra, na Suíça, perto da fronteira com a França. A vivência no CERN, segundo ela, tem sido “muito impactante”, não apenas do ponto de vista científico, mas também humano.
“É um centro que reúne pessoas do mundo inteiro. Tem sido uma experiência muito rica, não só em termos de física e ciência, mas do contato com culturas diferentes”, afirma, acrescentando que vai todo ano ao CERN.
Após informar que sua longa trajetória no laboratório europeu lhe permitiu dominar as línguas francesa e italiana, Miriam afirma que a escolha pelo CERN não se deu ao acaso. “Na física de partículas, você tinha basicamente duas opções: Estados Unidos, no Fermilab, ou Europa, no CERN. Eu tive as duas oportunidades, mas escolhi o CERN pela diversidade cultural e pela experiência internacional mais ampla.”
Sobre a nova partícula observada, Miriam esclarece que o Ξcc⁺ é um bárion composto por dois quarks charme (c) e um quark down (d). Trata-se, em suas palavras, de uma configuração rara e massiva, cuja existência já era prevista teoricamente. Contudo, a confirmação experimental exigiu condições específicas. “Essa partícula é composta por dois quarks charme, que são pesados, e um quark d. Por isso, ela é difícil de produzir. Ou seja, você precisa de muita energia e muita estatística para comprovar que ela apareceu nos dados”, sublinha Miriam.
Para os menos familiarizados com essa nova peça do quebra-cabeça subatômico, uma analogia frequentemente usada ajuda a visualizar sua estrutura. Nas palavras de Miriam, a Ξcc⁺ é uma espécie de “primo pesado” do próton. “O próton tem dois quarks u e um d. Já essa partícula tem dois quarks charme no lugar dos dois u, mantendo o d. É uma estrutura parecida, mas muito mais pesada”, compara.
Essa “versão turbinada” do próton abre novas possibilidades experimentais. “Quando a partícula é mais pesada, ela pode se desintegrar de mais maneiras. Isso cria uma janela maior para testar o modelo, porque você tem várias previsões que podem ser verificadas”, diz.
No campo teórico, um dos conceitos importantes para entender partículas como o Ξcc⁺ é o Isospin. Trata-se de uma ferramenta matemática que permite tratar os quarks u e d como se fossem duas versões de uma mesma entidade, já que possuem massas próximas e comportamentos semelhantes em certas interações. “É como se você considerasse o u e o d como a mesma partícula, em situações em que a massa não é tão relevante”, explica Miriam. Essa aproximação permite prever, por exemplo, que partículas “primas”, que diferem apenas pela troca de um quark u por um d, tenham propriedades muito semelhantes, como massas próximas. Tal previsão pode ser testada experimentalmente com alta precisão.
Outro ponto central está na famosa relação proposta por Albert Einstein, expressa pela equação equivalência massa-energia. No contexto da física de partículas, ela ajuda a entender por que partículas mais massivas, como o Ξcc⁺, são particularmente valiosas para a pesquisa. “Quando a partícula é mais pesada, você tem mais possibilidades de formas dela se desintegrar”, observa a pesquisadora. Isso ocorre porque uma maior massa inicial implica mais energia disponível para gerar diferentes estados finais após a desintegração. Assim, essas partículas funcionam como verdadeiros laboratórios microscópicos, ampliando as possibilidades de teste das previsões do Modelo Padrão.
A descoberta do Ξcc⁺, prossegue Miriam, segue a lógica fundamental da física de partículas: testar previsões teóricas com dados experimentais. “A gente tem expectativas a partir da teoria, previsões matemáticas. Quando encontra a partícula, você pode dar mais força ao modelo. Ou, ao contrário, mostrar que ele está incompleto”, afirma.
Bóson de Higgs
Se a memória de algum leitor remete ao que ocorreu com o Bóson de Higgs, cuja descoberta, em 2012, representa um dos maiores marcos da física contemporânea, a associação de fato ajuda a situar o contexto dessa nova observação, ainda que em escala distinta. Afinal, ambos os casos ilustram o mesmo esforço de confirmar previsões teóricas por meio de evidências experimentais cada vez mais precisas. “O Higgs era uma peça que faltava no modelo, algo fundamental. Já o Ξcc⁺ é importante, mas eu diria que ele não tem o mesmo impacto. Ele é mais uma peça que ajuda a completar o quebra-cabeça”, diz a professora.
Comparações à parte, cada nova partícula observada, defende Miriam, contribui para um teste mais rigoroso do modelo. “Tudo que foi medido até agora indica que o Modelo Padrão funciona com muita precisão. Mas sabemos que ele não explica tudo. Então seguimos procurando desvios.”
Um dos aspectos fascinantes desse tipo de investigação é o fato de que muitas das partículas estudadas não podem ser observadas diretamente. “Elas têm um tempo de vida muito curto. Se desintegram antes mesmo de poderem ser medidas”, explica Miriam. A solução, portanto, é observar os produtos da desintegração. “A gente mede o que sai dessa desintegração, incluindo as trajetórias, a energia, o tipo de partícula, e reconstrói o que havia no início.”
Como era de se imaginar, tal processo exige detectores altamente sofisticados, exatamente como o do experimento LHCb. “Nosso detector tem cerca de 20 metros de comprimento e 10 metros de altura. Apesar de as partículas serem minúsculas, elas saem com muita energia, formando um ‘chuveiro’ que precisa ser mapeado com precisão”, pontua Miriam, recorrendo a nova analogia.
Mas a reconstrução não é tarefa trivial. Ela envolve rastrear cada partícula resultante. “A gente consegue identificar se é um múon, um píon, um káon, medir a energia, reconstruir a massa total e verificar se corresponde a uma partícula conhecida ou a algo novo”.
Foi nesse processo que veio a confirmação do Ξcc⁺, que encerra uma longa história de tentativas e resultados inconclusivos. Miriam informa que experimentos anteriores, como o SELEX, chegaram a sugerir possíveis discrepâncias na massa entre partículas relacionadas. “Havia uma suspeita de que a massa do Ξcc⁺ fosse diferente da do Ξcc⁺⁺, o que poderia indicar um problema no modelo. Mas isso não foi confirmado”, observa.
Com os dados atuais, mais precisos e abundantes, a situação se esclareceu. “Hoje, com mais estatística e um detector muito preciso, vemos que não há essa discrepância. As massas são compatíveis com as previsões”.
Mas a observação do Ξcc⁺ não encerra a busca. Pelo contrário, abre novas frentes de investigação. “Agora vamos estudar as propriedades dessa partícula, outras formas de desintegração, parâmetros que o modelo prevê”, detalha Miriam, acrescentando que cada medida adicional é uma oportunidade de testar os limites do conhecimento atual. “A gente está sempre em duas frentes: medir com precisão o que o modelo prevê e procurar algo que fuja dele”.
Nesse equilíbrio entre confirmação e surpresa, a física de partículas avança. “É um trabalho de muitos anos, muitas pessoas, muitas ideias. E ainda estamos só começando a entender tudo o que essas partículas podem nos dizer”.
Por Leandro Haberli
