Descoberta de um novo hádron exótico contendo dois quarks charme e um antiquark up e down. 

Impressão artística do Tcc+, um tetraquark composto por dois quarks charme e um antiquark up e down. Crédito da Imagem: CERN

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Hoje, o experimento LHCb no CERN apresenta uma nova descoberta na Conferência da Sociedade Eurpeia de Física sobre Física de Altas Energias (EPS-HEP). A nova partícula descoberta pelo LHCb, classificada como T_cc⁺, é um tetraquark, um hádron exótico contendo dois quarks e dois antiquarks. É a partícula de matéria exótica de vida mais longa já descoberta e a primeira a conter dois quarks pesados e dois antiquarks leves.

Quarks são os blocos de construção fundamentais a partir dos quais a matéria é construída. Eles se combinam para formar hádrons, ou seja, bárions, como o próton e o nêutron, que consistem em três quarks, e os mésons, que são formados como pares quark-antiquark. Nos últimos anos, vários dos chamados hádrons exóticos, partículas com quatro ou cinco quarks, em vez dos convencionais dois ou três, foram encontrados. A descoberta de hoje é de um hádron exótico particularmente único, um hádron exótico exótico, se você preferir.

A nova partícula contém dois quarks charme e um antiquark up e down. Vários tetraquarks foram descobertos nos últimos anos (incluindo um com dois quarks charme e dois antiquarks charme), mas este é o primeiro que contém dois quarks charme, sem antiquarks charme para equilibrá-los. Os físicos chamam isso de “charme aberto” (neste caso, “charme duplo aberto”). Partículas contendo um quark charme e um antiquarque charme têm “hidden charm” - o número quântico charme para a partícula inteira é igual a zero, assim como uma carga elétrica positiva e uma negativa faria. Aqui, o número quântico do charme soma dois, portanto, tem o dobro do charme!

O conteúdo de quark de T_cc⁺ tem outras características interessantes além de ser um charme aberto. É a primeira partícula a ser encontrada pertencente a uma classe de tetraquarks com dois quarks pesados e dois antiquarks leves. Essas partículas decaem ao se transformar em um par de mésons, cada um formado por um dos quarks pesados e um dos antiquarks leves. De acordo com algumas previsões teóricas, a massa dos tetraquarks desse tipo deve ser muito próxima da soma das massas dos dois mésons. Tal proximidade em massa torna o decaimento “difícil”, resultando em uma vida útil mais longa da partícula e, de fato, T_cc⁺ é o hádron exótico de vida mais longa encontrado até hoje.

A descoberta abre caminho para a busca por partículas mais pesadas do mesmo tipo, com um ou dois quarks charme substituídos por quarks bottom. A partícula com dois quarks bottom é especialmente interessante: de acordo com os cálculos, sua massa deveria ser menor que a soma das massas de qualquer par de mésons B. Isso tornaria o decaimento não apenas improvável, mas realmente proibido: a partícula não seria capaz de decair por meio da interação forte e teria que fazê-lo por meio da interação fraca, o que tornaria seu tempo de vida várias ordens de magnitude mais longo do que qualquer hádron exótico observado anteriormente.

O novo T_cc⁺ tetraquark é um alvo atraente para estudos futuros. As partículas nas quais ela decai são comparativamente fáceis de detectar e, em combinação com a pequena quantidade de energia disponível no decaimento, isso leva a uma excelente precisão em sua massa e permite o estudo dos números quânticos desta partícula fascinante. Isso, por sua vez, pode fornecer um teste rigoroso para modelos teóricos existentes e pode até mesmo permitir que efeitos anteriormente inalcançáveis sejam sondados.

Mais informações:

• Leia mais no site do LHCb e no CERN Courier.
• Conferência EPS-HEP2021: indico.desy.de/event/28202/

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Referência:

TRACZYK, Piotr. Twice the charm: long-lived exotic particle discovered. CERN, 29, jul. 2021. Disponível em: <https://home.cern/news/news/physics/twice-charm-long-lived-exotic-particle-discovered>. Acesso em: 29, jul. 2021.