Tauônio: o átomo menor e mais pesado com interação eletromagnética pura. Crédito: ©Science China Press
Descobertas recentes na física quântica revelaram estruturas atômicas mais simples do que o hidrogênio, envolvendo interações eletromagnéticas puras entre partículas como os elétrons e suas antipartículas. Este avanço tem implicações significativas para a nossa compreensão da mecânica quântica e da física fundamental, destacadas por novos métodos de detecção de tauônio, que podem revolucionar as medições da física de partículas.
O hidrogênio átomo já foi considerado o átomo mais simples da natureza, composto por um elétron sem estrutura e um próton estruturado. No entanto, à medida que a pesquisa avançava, os cientistas descobriram um tipo mais simples de átomo, consistindo de elétrons sem estrutura (e– ), múons (eu– ) ou tauons (t– ) e suas antipartículas igualmente sem estrutura. Esses átomos são unidos apenas por interações eletromagnéticas, com estruturas mais simples que os átomos de hidrogênio, proporcionando uma nova perspectiva sobre problemas científicos como mecânica quântica, simetria fundamental e gravidade.
Descoberta de átomos de interação eletromagnética
Até o momento, apenas dois tipos de átomos com interações eletromagnéticas puras foram descobertos: o estado ligado elétron-pósitron descoberto em 1951 (Phys Rev 1951;82:455) e o estado ligado elétron-antimuon descoberto em 1960 (Phys Rev Lett 1960; 5:63). Nos últimos 64 anos, não houve outros sinais de tais átomos com interações eletromagnéticas puras, embora existam algumas propostas para procurá-los em raios cósmicos ou em aceleradores de alta energia.
O tauônio, composto por um tauon e sua antipartícula, tem um raio de Bohr de apenas 30,4 femtômetros (1 femtômetro = 10-15 metros), aproximadamente 1/1741 do raio de Bohr de um átomo de hidrogênio. Isto implica que o tauónio pode testar os princípios fundamentais da mecânica quântica e da eletrodinâmica quântica em escalas menores, fornecendo uma ferramenta poderosa para explorar os mistérios do mundo micromaterial.
Recentemente, um estudo intitulado “Novo método para identificar o átomo QED mais pesado” foi publicado na revista abrangente Boletim Científico, propondo uma nova abordagem usada para descobrir o tauônio. O estudo demonstra que, ao coletar dados de 1,5 ab-1 próximo ao limiar de produção de pares de tau em um colisor de elétrons e pósitrons, e selecionando eventos de sinal contendo partículas carregadas acompanhadas por neutrinos não detectados que transportam energia, a significância da observação de tauônio excederá 5σ. Isto indica uma forte evidência experimental da existência de tauônio.
Implicações para a Física Fundamental
O estudo também descobriu que, usando os mesmos dados, a precisão da medição da massa do tau-lépton pode ser melhorada para um nível sem precedentes de 1 keV, duas ordens de magnitude superior à maior precisão alcançada pelos experimentos atuais. Esta conquista não só contribuirá para o teste preciso da teoria eletrofraca no Modelo Padrão, mas também terá implicações profundas para questões fundamentais da física, como a universalidade do sabor do leptão.
Direções de pesquisas futuras
Esta conquista serve como um dos objetivos físicos mais importantes da proposta Super Tau-Charm Facility (STCF) na China ou da Super Charm-Tau Factory (SCTF) na Rússia: descobrir o átomo menor e mais pesado com interações eletromagnéticas puras executando a máquina perto do limite do par tauon por um ano e medir a massa do tau lepton com alta precisão. Essas descobertas fornecerão insights e compreensão mais profundos sobre a exploração do mundo microscópico pela humanidade.
Referência: “Novo método para identificar o átomo QED mais pesado” por Jing-Hang Fu, Sen Jia, Xing-Yu Zhou, Yu-Jie Zhang, Cheng-Ping Shen e Chang-Zheng Yuan, 4 de abril de 2024, Boletim Científico.
DOI: 10.1016/j.scib.2024.04.003
