Os pesquisadores revelaram recentemente novos insights sobre partículas subatômicas exóticas e a força forte. O seu trabalho prevê a existência de um novo tetraquark, composto por quarks de beleza e charme juntamente com dois antiquarks leves, utilizando métodos computacionais. Esta descoberta aumenta a nossa compreensão da Cromodinâmica Quântica e da composição da matéria visível. Crédito: SciTechDaily.com
Um novo estudo revela a existência de um tetraquark composto por quarks beauty e charm, avançando nosso conhecimento da física de partículas subatômicas e das interações de forças fortes.
Explorando o domínio complexo das partículas subatômicas, pesquisadores do Instituto de Ciências Matemáticas (IMSc) e do Instituto Tata de Pesquisa Fundamental (TIFR) publicaram recentemente uma nova descoberta na revista Cartas de revisão física. Seu estudo ilumina um novo horizonte dentro da Cromodinâmica Quântica (QCD), lançando luz sobre partículas subatômicas exóticas e ampliando os limites de nossa compreensão da força forte.
Imagem esquemática do Tetraquark previsto, Tbc, feito de quatro quarks: beleza, charme e dois anti-quarks leves. Crédito: Nilmani Mathur
A Enigmática Força Forte e o Mundo dos Hádrons
No centro desta exploração está a enigmática força forte fundamental, que gera quase toda a massa de toda a matéria visível no universo. Um punhado de partículas fundamentais, conhecidas como quarks, envolvidas em interações intrigantes através da troca de glúons, criam todas as partículas subatômicas compostas que eventualmente formam toda a matéria visível do nosso universo.
Central para esta compreensão é a teoria da Cromodinâmica Quântica (QCD), que rege a dinâmica de interações fortes. A QCD permite a formação de combinações de quarks de cor neutra em partículas subatômicas genericamente chamadas de hádrons.
Tradicionalmente, os hádrons têm sido classificados em duas categorias principais: mésons, como os píons, compostos por um quark e um antiquark, e bárions, como os prótons, compostos por três quarks. No entanto, além dessas categorias estão os hádrons exóticos, incluindo aqueles com quatro, cinco ou seis quarks, e até partículas com glúons, como as bolas de cola.
Até há relativamente pouco tempo, no entanto, a existência destes hádrons exóticos permanecia um território em grande parte desconhecido para os físicos de partículas. Ao longo da última década e meia, uma enxurrada de descobertas experimentais iluminou este domínio anteriormente obscuro, revelando um rico espectro de hádrons exóticos que desafiam as noções convencionais da força forte e desafiam a nossa compreensão das partículas subatómicas.
Vista esquemática mostrando a formação de Tbc por meio de interações de mésons bottom e charm. Crédito: A. Radhakrishnan e V. Raj
Descobrindo Tetraquarks: Uma Nova Fronteira na Física de Partículas
Entre esses hádrons exóticos estão os tetraquarks, que são compostos por quatro quarks (mais precisamente, dois quarks e dois anti-quarks). Eles poderiam existir em formas altamente compactas ou como moléculas fracamente ligadas de dois mésons ou qualquer outra coisa: suas estruturas precisas permanecem um mistério. Também são observados os exóticos mais comuns e espera-se que muitos mais sejam descobertos no futuro. Estudos teóricos podem ajudar a descobri-los, prevendo o seu conteúdo de quarks e possíveis faixas de energia.
Neste trabalho recente, o Prof. Nilmani Mathur e um pós-doutorado, Dr. Archana Radhakrishnan, do Departamento de Física Teórica, TIFR, e o Dr. M. Padmanath do IMSc previram a existência de um novo tetraquark. Esta nova partícula subatômica é composta por um quark beauty e um charm junto com dois anti-quarks leves, e pertence a uma família de tetraquarks, chamada Ta.C.: o lindos e charmosos tetraquarks.
Eles utilizaram o recurso computacional da Indian Lattice Gauge Theory Initiative (ILGTI) para realizar este cálculo. A formação deste tetraquark em particular foi investigada usando as interações entre os mésons bottom e charm. Utilizando técnicas variacionais em espaçamentos de rede variados e massas de quarks leves de valência, este estudo investigou autovalores de energia dos sistemas de mésons em interação dentro de volumes finitos e chegou à conclusão sobre a existência deste tetraquark. Semelhante à partícula prevista, poderia haver outros tetraquarks com o mesmo conteúdo de quarks, mas com spin e paridade diferentes.
Esta previsão chega num momento fortuito, coincidindo com a recente descoberta de um tetraquark (TCC) contendo dois quarks charmosos e dois antiquarks leves. Consequentemente, existe uma possibilidade distinta de que a partícula recentemente prevista ou uma variante relacionada possa muito bem ser descoberta utilizando metodologias experimentais semelhantes, dado que a gama de energia e a luminosidade necessárias para a sua produção e detecção estão a tornar-se cada vez mais acessíveis.
Além disso, a energia de ligação da partícula prevista excede a de qualquer tetraquark descoberto e a ligação enfraquece à medida que a massa do quark leve aumenta, aludindo à intrincada dinâmica de interações fortes através de diversos regimes de massa de quark, bem como elucidando as características intrigantes da força forte. na formação de hádrons, especialmente aqueles com quarks pesados.
Isto também traz motivação adicional para a busca de partículas subatômicas exóticas mais pesadas em experimentos de próxima geração, que poderiam ser utilizadas para decifrar a força forte e desbloquear todo o seu potencial.
Referência: “Vetor axial isoscalar ligado 𝑏𝑐𝑢¯𝑑¯ Tetraquark 𝑇𝑏𝑐 da rede QCD usando base variacional de dois mésons e diquark-antidiquark” por M. Padmanath, Archana Radhakrishnan e Nilmani Mathur, 14 de maio de 2024, Cartas de revisão física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.201902
