Confirmada nova partícula exótica composta por 4 quarks!
Partícula exótica, observação de quarks em resultante de cor branca. Créditos IOP (Institute of Physics) e CERN
O modelo dos quarks, partículas elementares (não compostas por outras partículas) veio repor a ordem em 1964 ao zoo caótico de novas partículas que nessa época eram descobertas a um ritmo alucinante.
Conservando o momento angular, o número de bariões, a energia e conservando a carga elétrica, o modelo dos quarks foi e é um sucesso (quase, pois quase conserva o número de estranheza) completo.
De algum modo (por dupletos e tripletos) simplificando um parque (um espaço) onde os animais (as partículas) estão a brincar (a interagir), este modelo dos quarks, sempre que é possível observar, veio demonstrar que tudo o que é possível realizar-se na natureza pois de facto acontece.
O que são quarks? Os três amigos do conto de James Joyce cuja acção ressoou na frase poética (e presciente) “Three quarks for Muster Mark.” (3 quarks para o Menino Mark) ?
Sim, também. De facto os quarks nunca se observam isolados, estão constrangidos pelos gluões, que são como elásticos virtuais que os prendem pela acção muito intensa (e de muito curta distância) da força forte.
Estranho? Sim, também há um factor de estranheza, de força estranha, e até um dos quarks se chama Estranho (Strange).
Por isso não estranhem que a Natureza seja bizarra.
Estamos, ao falar de quarks, no cerne, literalmente, no núcleo da matéria.
Os núcleos dos átomos de todos os Elementos da matéria normal (ou Bariónica, constituída por bariões) são constituídos por quarks.
Os núcleos dos átomos dum ser humano, ou os duma estrela, são feitos de protões (ao Hidrogénio basta-lhe 1) e de neutrões.
Então os quarks, na matéria normal, apresentam-se em triplas, ou tripletos, em conjuntos de 3, para constituírem estes protões e neutrões.
Protão = 2 Up quarks + 1 Down quark.
Neutrão = 1 Up quark + 2 Down quarks.
Carga eléctrica dum up quark = + 2/3
Carga eléctrica dum Down quark = – 1/3
Protão = 2/3 + 2/3 – 1/3 = + 1 de carga eléctrica
Neutrão = 2/3 – 1/3 – 1/3 = 0 de carga eléctrica (neutra).
Então um núcleo dum átomo tem carga eléctrica positiva (e de número inteiro). E um átomo, como tem um número idêntico de protões e de electrões, estes electrões, ao apresentarem uma carga eléctrica de -1, anulam a carga nuclear e tornam um qualquer átomo, na maioria das situações, neutro.
30 protões num núcleo = + 30 de carga eléctrica
26 neutrões nesse mesmo núcleo = 0 de carga eléctrica
Saldo de carga nuclear = +30
30 electrões na nuvem de orbitais desse átomo= -30 de carga eléctrica.
Saldo de carga e de spin desse átomo = 0.
Os quarks, na nossa matéria normal, mesmo no tão abundante ferro vêm em tripletos, ou bariões.
Ainda se podem apresentar como mesões, que são constituídos por 1 quark e um anti-quark. Este anti-quark é em tudo idêntico ao seu espelho excepto na carga eléctrica, em que lhe é oposto.
Resumido:
1) Bariões = matéria bariónica = matéria-normal = 3 quarks
2) Mesões = partículas muito instáveis = 2 quarks.
1) e 2) são Hadrões, daí o nome do Grande Colisionador de Hadrões.
Aos dupletos e aos tripletos de quarks chama-se-lhes “Estados.”
Mas eis que a instabilidade típica dos mesões produz ressonâncias exóticas, que são decaimentos raros mas possíveis (se é possível acontecer na natureza, acontece).
E foi um destes eventos raros que foi agora detetado e confirmado como descoberta pela experiência B (de beauty) do LHC, a LHC-b, no grande colisionador de Hadrões do CERN em Genebra.
No ensejo, bombardearam-se protões contra protões em formidáveis colisões, a níveis de energia tão elevados (7 e 8 Gev) que os elásticos que seguram os quarks se partiram, e estes libertaram-se em jatos que produziram novas partículas.
Esta nova partícula foi agora confirmada com 13.9 sigma (5 sigma será o mínimo para uma descoberta), o que revela um sinal avassalador e muito nítido da sua efémera existência.
Chama-se Z (4430) e resultou de cerca de 180 biliões (180×10^12) de colisões, donde se ejetaram 25.000 decaimentos de mesões-B, que finalmente descreveram um fabuloso círculo nos gráficos dos detetores para nos revelar a sua existência.
Ressonância exótica do decaimento da nova partícula, a Z (4430).
A fantástica Z (4430) é constituída por 4 quarks.
Z significa que pertence à família Z dos estados exóticos XYZ e 4430 é a sua massa, de 4430 MeV (cerca de 4 vezes a massa dum protão).
A nova descoberta tem spin+1 (é um bosão, com spin de número inteiro, como todos os mesões).
E é constituída, durante um tempo muito curto, pelo menos por:
1 Charm quark
1 anti-Charm quark
1 Down quark
1 anti-Up quark
Ou seja por 2 quarks e 2 anti-quarks.
Hadrões do modelo de quarks e Hadrões Exóticos.
Será então um Tetra-quark!
http://cds.cern.ch/record/1694325
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Com estas experiências de observação e de Descoberta de partículas exóticas, consegue-se, aos poucos, aferir muito melhor as dimensões (no sentido de massa-energia) dos átomos da matéria normal, que lhes são comparados.
Consegue-se entender muito melhor, aos poucos, de que massa, e de que casamentos de partículas, somos feitos.
9 comentários
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Olá, fiquei feliz por ter postado a matéria, acho muito interessante e ficou muito bem exposta. Quero estudar física de partículas, queria saber se tem algum ponto inicial pelo qual devia começar, ou algum site pra me indicar..não tenho nem livros sobre o assunto,infelizmente.
Olá Juh Almeida,
Para começar invista em 2 livros.
1) Breve História do Tempo . Do Big Bang aos Buracos Negros do Prof. Stephen Hawking.
2) A Partícula no fim do universo – como a caça ao bosão de Higgs nos levou ao limiar de um mundo novo, de Sean Carroll.
Quanto a websites aconselho esta introdução à Física de Partículas pelo físico português do CERN/LIP Pedro Abreu para ter uma excelente introdução.
https://indico.cern.ch/event/149267/contribution/18/material/slides/0.pdf
Depois de ler os livros volte ao documento do Físico Pedro Abreu e verá como vai avançar nos conceitos 🙂
Não tente entender tudo duma vez, vai ser um trabalho gradual, exigente e…fantástico.
Boa viagem de descoberta. 🙂
Excelente pergunta, pode, mas o preço a pagar é uma existência muito efémera, durante muito pouco tempo. Por exemplo o par Top quark/anti-Top quark nunca foi observado (o seu rastro, as observações são pegadas, ou sinais, logo indirectas) mas está previsto.
A energia necessário para o criar não está ao alcance da tecnologia, porventura estará disponível em 2015 no LHC do CERN, a partir de meados de 2015, provavelmente operacional em 2016 ou mesmo só em 2017.
Há que aumentar gradualmente esse acelerador.
Muito Obrigado. 🙂
Eu tenho uma pergunta um pouco leiga, mas como pode coexistir um charm quark e um anti charm quark na mesma matéria?
Apesar de estes assuntos para mim serem (quase) chinês, gostei de ler o artigo.
Explica estas coisas de uma forma que até me deu a sensação que não são assim tão complicadas.
Tenho duas questões que espero que façam sentido:
– A causa da instabilidade ( e efemeridade) dos mesões (dupletos) e dos (novos) tetras está relacionada com o facto de terem anti-quarks na sua composição? Ou a causa está mais relacionada com o número de quarks que os compôem?
– A outra questão é: as leis da física pressupõem a existência de haxa-quarks ou o máximo são os penta?
Olá Fernando Simões, são excelentes a questões que coloca.
1) a causa da instabilidade de qualquer partícula, seja elementar ou composta é proporcional à sua massa. Os quarks apresentam-se confinados, ou ligados, com os gluões. Para além disso vêem em 3 gerações (numeração romana I, II e III).
Quanto mais alta a geração maior a massa e maior a instabilidade. Só por isso são mais instáveis, tal qual são mais instáveis (dizemos mais radioactivos) os elementos mais pesados da Tabela Periódica.
Isso bastaria, mas de facto a anti-matéria tem uma razão de decaimento em mediana (um média muito mais precisa em universos estatísticos gigantescos) cerca de 7 vezes superior ao da matéria normal.
Por isso estas partículas são muito instáveis, pelas 2 razões : mais massa e maior taxa de decaimento da antimatéria.
E por uma terceira razão, mais dramática; pela aniquilação mútua da matéria e do seu espelho anti.
As Leis da Física de Partículas prevêem 10 tipos de quarks, já descobriram 2 tipos, 3 cores e 6 sabores, num total de 36 quarks.
Quando estes quarks estão “libertos” do seu confinamento,e ficam isolados dos gluões estarão livres até o meio arrefecer e se registar uma transição de fase da matéria (por arrefecimeto) que é justamente a hadronização, a formação de hadrões.
Pergunta se há hadrões com 5 e com 6 quarks (penta e hexa). Com 5 quarks podem suceder, caso respeitem a mistura cromática e sejam desprovidos de cor primária (sejam brancos). Com 6 para ser sincero não sei, mas temo ( e aqui especulo) -que não seriam mais do que partículas tão efémeras que seria difícil defini-las como partículas. Não tem, ou eu não consigo ver, um impedimento matemático, terá um temporal.-
Excelentes questões, muito bem colocadas, sugiro sinceramente que se disponha a estudar formalmente Física de Partículas, pois a Física só tem a ganhar com o tipo de questões que suscitou.
🙂 Muito Obrigado.
Obrigado nas respostas.
Quanto à possíbilidade de aprofundar estas matérias, a limitação é mesmo o tempo disponível, porque são assuntos que acho muito interessantes e “desafiadores”.
Mas com algumas leituras, a começar pelo astropt 🙂 , vamos fazendo “o gosto ao dedo”.
Caro Manuel,
Gostei de ler o artigo. São temas que conheço de modo mais limitado. Bom trabalho.
Apenas uma dúvida: quando utiliza a expressão “Sim, também há um factor de estranheza, de força estranha..”, imagino que a referencia a “força estranha” seja apenas uma figura de estilo e não relativa a uma força física / interação, certo? Faço esta pergunta pois no parágrafo imediatamente anterior aparece a referencia à força nuclear forte (esta sim uma interação física entre partículas) e leitores menos conhecedores destes temas podem pensar que há uma “força estranha” quando de facto estranheza é apenas uma propriedade das partículas. Ou estou errado?
Abraço.
Olá Daniel, a estranheza é uma propriedade que se revela em transições de fase da matéria, sobretudo no QGP. Formalmente não é um campo-força, mas é um campo-força teórico, de intensidade porventura infinita, que mantém a matéria e a anti-matéria em “boa ordem” sem se aniquilarem mutuamente, durante um tempo definoido como a velocidade da luz no vácuo atingir o diâmetro geométrico dum protão.
Se há ambiguidade na estranheza, é porque a sua definição é ambígua. Remete para um campo-força pelo mecanismo denominado “rapidez.”
Abraço e Obrigado, excelente questão. 🙂