Descoberta nova partícula no CERN: primeiro tripleto com 2 quarks pesados!

O detector LHCb no acelerador de partículas do Centro Europeu de Pesquisa Nuclear registou a descoberta duma nova partícula prevista pelo Modelo-Padrão da física de Partículas.

O novo amigo, chamado Xi cc ++, é um barião, uma partícula composta por 3 quarks, que por sua vez são os blocos fundamentais da matéria normal do dia a dia, por exemplo os protões e os neutrões nos núcleos dos átomos do corpo humano.

Os quarks têm 6 sabores (ver diagrama abaixo na horizontal) e, como todas as partículas da matéria (que se dividem em leptões e em quarks), apresentam-se em 3 gerações (ver da esquerda para a direita).

Como se pode verificar, as gerações I, II e III têm somente uma diferença nas linhas horizontais: as partículas têm cada vez mais massa logo são cada vez mais pesadas.

Modelo-Padrão da Física de Partículas.

A importância fundamental desta descoberta.

O Xi cc ++ é constituído por 2 charm quarks (pesados) e por 1 up quark (leve) e é denotado pela letra grega Xi, pelos 2 charm c e por ter uma carga eléctrica de +2, ++, ficando assim : Ξ cc ++

É a primeira partícula composta por quarks que apresenta um par de quarks pesados. Estava prevista teoricamente, mas o seu decaimento em cascada, e interagindo com a força fraca, tornava a sua existência suspeita, mas difícil de encontrar excepto agora, com a Run 2, ou segunda série de colisões do Grande Colisionador de Hadrões, o LHC, à energia de 13 TeV. Mesmo assim ainda se recolheram dados suplementares de colisões a apenas 8 TeV, que originaram a suspeita que a previsão do modelo-padrão estava, mais uma vez, correcta.

Os Hadrões são todas as partículas constituídas por quarks, e esta está na sub-família dos tripletos (trios), que é então a dos bariões. Já os mais familiares electrões são da família dos leptões. Todas as partículas da matéria têm spin de número fraccionado.

Este barião apresenta um spin de 1/2, conserva a propriedade de charm a 1 e é surpreendente porque, repare-se, ao ser constituída por 2 quarks pesados e 1 leve, ocupa um região bizarra do espaço, já que os quarks pesados ocupam, isto é estranho e anti-intuitivo, uma região muito pequena do espaço, e o quark leve ocupa um região maior do espaço.

Parece então ser um sistema duplo de estrelas massivas com um planeta oco a orbitar estes 2 gigantes, só que, no mundo do muito pequeno, com o seu regime de mecânica quântica totalmente diferente, estes mastodontes usam a sua mais alta energia (que é medida pela sua massa em GeV’s), para se “esconderem” enquanto o quark mais leve fica mais a descoberto (vê-se melhor).

Imaginem 2 estrelas de neutrões, muito massivas mas muito pequenas em tamanho, e um planeta gigante a orbitar este sistema triplo. Mas este planeta é oco e muito leve. Será uma analogia mais indicada (tenham cuidado com as analogias, alerta verde, azul e vermelho de analogia).

Cor

Os quarks mudam de sabor (sabor = tipo) e de cor perto da velocidade da luz dentro dum barião, sendo esta força de cor a mais fundamental de todos os campos-forças. Senão vejamos: a força forte que mantém os quarks unidos e confinados, que mantém os átomos inteiros (e a nós), é um resíduo desta força de cor.

Neste caso específico do barião Ξ cc ++, este decai ao fim dum certo tempo, muito pouco, mas relativamente longo em Física de Partículas, que é, por definição, de altas energias.

Assim, dando algum tempo ao tempo, o Xi cc ++ decai em cascata e emite, numa etapa da profusão de produtos finais, um bosão da força fraca, o W+, sendo um decaimento em cascata fraco, típico dos decaimentos que emitem bosões com massa e com carga eléctrica, e emite também um conjunto refrescante de partículas.

Diagrama de Feymann do decaimento do Barião Ξ cc ++.
Créditos: CERN LHCb.

Sendo este o caso, a força fraca permite a violação da paridade (as anti-partículas espelho deste processo) e até a rara violação da carga, isto numa primeira análise, já que a carga é depois conservada por outros processos.

Ou seja, esta partícula toca a tudo e a todos.
Abre um novo capítulo da Física que ajudará a compreender melhor diferentes domínios:

A força fraca, e como ela se intromete em escalas de influência tão pequenas.

A QCD, ou cromodinâmica quântica, ou seja as forças forte e de cor, que confinam e elastificam os quarks.

A propriedade charm típica do charm quark.

A conservação e a rara violação da carga eléctrica.

A transformação dos quarks em sabores e a sua reversão para o sabor inicial.

Ao ser tão interactivo, e por viver um tempo longo, o barião Ξ cc ++ é como uma sonda para estas regiões: é como uma nave espacial exploratória que nos deixa amostras da sua expedição, e muitas fotos da sua incrível aventura.

O Ξ cc ++ foi confirmado com Sigma >12.

A sua cascata fraca resultante do tripleto UCC (1 Up quark + 2 charm quarks) é uma enorme descoberta.

Cascata de fraca intensidade e de escoamentos diversificados.
A água inicial é a mesma da final, se contarmos com a que se infiltra nos solos da linha de água. É uma quantidade conservada, como a energia nas colisões de protões-protões (p-p), que resulta conservada.
Créditos: Shutterstock videos

Nota final: os físicos do LHCb reconheceram no paper científico, que podem consultar aqui, o trabalho essencial dos programadores de código-fonte aberto, dos sistemas de computação livres de encriptação comercial, dado estes serem essenciais para o excelente desempenho do LHCb.