O estranho fenômeno foi proposto pela primeira vez pelo físico russo Lev Landau na década de 1950.

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Físicos vasculhando antigos dados de aceleradores de partículas encontraram evidências de um processo altamente evasivo e nunca antes visto: a chamada singularidade do triângulo.

Vislumbrado pela primeira vez pelo físico russo Lev Landau na década de 1950, a singularidade de um triângulo se refere a um raro processo subatômico em que as partículas trocam identidades antes de voar para longe umas das outras. Nesse cenário, duas partículas - chamadas de kaons - formam dois vértices do triângulo, enquanto as partículas que elas trocam formam o terceiro ponto do triângulo.

"As partículas envolvidas trocaram quarks e mudaram suas identidades no processo", disse o co-autor do estudo Bernhard Ketzer, do Instituto Helmholtz de Radiação e Física Nuclear da Universidade de Bonn, em um comunicado. 

E é chamado de singularidade porque os métodos matemáticos para descrever as interações das partículas subatômicas não se aplicam. 

Se essa troca de identidade de partícula singularmente estranha realmente acontecesse, poderia ajudar os físicos a entender a força forte, que une os núcleos.

Apontando o COMPASS

Em 2015, físicos que estudavam colisões de partículas no CERN, na Suíça, pensaram que tinham tido um breve vislumbre de uma coleção exótica de partículas de curta duração conhecida como tetraquark. Mas a nova pesquisa favorece uma interpretação diferente, algo ainda mais estranho. Em vez de formar um novo agrupamento, um par de partículas trocou de identidade antes de voar. Essa troca de identidade é conhecida como singularidade do triângulo, e esse experimento pode ter fornecido inesperadamente a primeira evidência desse processo.

O experimento COMPASS (Common Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy) no CERN estuda a força forte. Embora a força tenha um trabalho muito simples (manter prótons e nêutrons colados), a própria força é estonteante e complexa, e os físicos têm dificuldade em descrever completamente seu comportamento em todas as interações.

Então, para entender a força forte, os cientistas do COMPASS esmagam partículas juntas em energias superaltas dentro de um acelerador chamado Síncrotron Super Proton. Então, eles assistem para ver o que acontece.

Eles começam com um píon, que é feito de dois blocos de construção fundamentais, um quark e um antiquark. A força forte mantém o quark e o antiquark colados dentro do píon. Ao contrário das outras forças fundamentais da natureza, que ficam mais fracas com a distância, a força forte fica mais forte quanto mais distantes os quarks se distanciam (imagine os quarks em um píon preso por um elástico - quanto mais você os separa, mais difícil fica).

Em seguida, os cientistas aceleram esse píon até quase a velocidade da luz e o transformam em um átomo de hidrogênio. Essa colisão quebra a forte ligação de força entre os quarks, liberando toda a energia reprimida. "Isso é convertido em matéria, o que cria novas partículas", disse Ketzer. "Experimentos como esses, portanto, nos fornecem informações importantes sobre a forte interação."

Existem quatro forças fundamentais da natureza, incluindo a gravidade, a mais fraca do grupo (ilustrada no canto superior esquerdo); eletromagnetismo, que funciona em escalas muito menores; a força nuclear fraca, que é responsável pela conversão dos núcleos dos átomos de prótons em nêutrons e pela emissão de radiação beta no processo; e a força forte, que mantém juntos os núcleos em um núcleo atômico, bem como os quarks nos próprios núcleos. Crédito da imagem: MARK GARLICK / SCIENCE PHOTO BIBRARY via Getty Images

Quatro quarks ou um triângulo?

Em 2015, o COMPASS analisou um recorde de 50 milhões dessas colisões e encontrou um sinal intrigante. Após essas colisões, em menos de 1% das vezes, uma nova partícula apareceu. Eles apelidaram a partícula de "a1 (1420)" e inicialmente pensaram que era um novo agrupamento de quatro quarks - um tetraquark. Esse tetraquark era instável, no entanto, então se decompôs em outras coisas.

Quarks normalmente vêm em grupos de três (que constituem prótons e nêutrons) ou em pares (como os píons), então isso foi muito interessante. Um grupo de quatro quarks foi um achado raro.

Mas a nova análise, publicada em agosto na revista Physical Review Letters, oferece uma interpretação ainda mais estranha.

Em vez de criar brevemente um novo tetraquark, todas aquelas colisões de píons produziram algo inesperado: a lendária singularidade do triângulo. 

Aí vêm os triângulos

Veja agora o que os pesquisadores por trás da nova análise acham que está acontecendo. O píon se choca contra o átomo de hidrogênio e se quebra, com toda a energia de força forte produzindo uma inundação de novas partículas. Algumas dessas partículas são kaons, que são outro tipo de par quark-antiquark. Muito raramente, quando dois kaons são produzidos, eles começam a viajar em caminhos separados. Eventualmente, esses kaons irão se decompor em outras partículas mais estáveis. Mas antes disso, eles trocam um de seus quarks entre si, transformando-se no processo.

É aquela breve troca de quarks entre os dois kaons que imita o sinal de um tetraquark.

"As partículas envolvidas trocaram quarks e mudaram suas identidades no processo", disse Ketzer, que também é membro da Área de Pesquisa Transdisciplinar "Blocos de Construção da Matéria e Interações Fundamentais" (TRA Matter). "O sinal resultante então se parece exatamente com o de um tetraquark."

Se você mapear os caminhos das partículas individuais após a colisão inicial, o par de kaons forma duas pernas e as partículas trocadas formam uma terceira entre elas, fazendo um triângulo aparecer no diagrama, daí o nome.

Embora os físicos tenham previsto singularidades de triângulos por mais de meio século, este é o mais perto que qualquer experimento chegou de realmente observar um. Ainda não é conclusivo, no entanto. O novo modelo do processo envolvendo singularidades triangulares possui menos parâmetros que o modelo tetraquark e oferece um melhor ajuste aos dados. Mas não é conclusivo, uma vez que o modelo original do tetraquark ainda poderia explicar os dados.

Ainda assim, é uma ideia intrigante. Se persistir, será uma sonda poderosa da força nuclear forte, uma vez que o aparecimento das singularidades do triângulo é uma previsão de nossa compreensão dessa força que ainda não foi totalmente examinada.

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Referência:

SUTTER, Paul. 1st sign of elusive 'triangle singularity' shows particles swapping identities in mid-flight. Live Science, 08, set. 2021. Disponível em: <https://www.livescience.com/first-evidence-triangle-singularity>. Acesso em: 10, set. 2021.