sexta-feira, 29 de março de 2013

Nova partícula subatômica é descoberta

Uma equipe internacional de cientistas que operam o Experimento BESIII no Beijing Electron Positron Collider na China recentemente descobriu uma uma nova partícula.

BES III

© Chinese Academy of Sciences (BES III)

O estudo visa a compreensão da partícula anômala Y (4260). Durante uma observação notável e inesperada, o grupo relatou que a partícula Y (4260) decaiu numa nova partícula, e talvez ainda mais misteriosa, que deram o nome de Zc (3900).
Desde a sua descoberta de 2005 pelo experimento BaBar no SLAC National Laboratory em Stanford, na Califórnia, a partícula Y (4260) continua a mistificando os pesquisadores. Enquanto as outras partículas que partilham certas semelhanças com o Y (4260) têm sido explanadas como exemplos de um par de quarks (quark charm e anti-quark charm) emparelhados numa interação devido a força forte da física de partículas, as tentativas para integrar o Y (4260) a este modelo falharam, e sua natureza subjacente permanece desconhecida.
No final de dezembro de 2012, a equipe BESIII embarcou em um programa de pesquisa para produzir um grande número de partículas Y (4260) aniquilando elétrons e anti-elétrons (pósitrons) com uma energia total que corresponde à massa do Y (4260). Uma vez produzido, o Y (4260) decai rapidamente, e seus produtos de decaimento são medidos com o detector de partículas BESIII. Segundo o Prof Xiaoyan Shen, do Instituto de Física de Altas Energias, da Academia Chinesa de Ciências, "o objetivo do nosso programa é entender os vários processos pelos quais os Y (4260) decai com a esperança que isso irá fornecer pistas sobre a sua estrutura interna e, assim, produzir novos conhecimentos sobre o funcionamento da força forte, que é responsável por manter os quarks juntos dentro de partículas subatômicas."
Embora comumente conhecidas as partículas subatômicas, como o próton e do nêutron, são compostos relativamente quarks leves up e down, o experimento BESIII é especializado para o estudo da matéria que contém os quarks charm mais pesados. A partícula J/ψ, por exemplo, que é conhecida por ser composta por um quark charm e um anti-quark charm unidos pela força forte, pode ser copiosamente produzidas no colisor em Beijing. "Até o momento, o BESIII tem produzido mais de um bilhão de partículas J/ψ na aniquilação elétron-pósitron", segundo o professor Fred Harris, da Universidade do Havaí. A partícula J/ψ é fundamental no sistema de várias configurações possíveis de quarks charm e anti-quarks charm, chamada de méson "charmonium. Mas as recentes descobertas de várias novas partículas, incluindo a Y (4260) e agora o Zc (3900)  sugerem que estruturas mais complexas têm que ser considerados.
Estudos anteriores sobre a Y (4260) utilizaram feixes de elétrons e pósitrons com uma energia total, que era muito superior ao que corresponde à massa do Y (4260). Nestas experiências, os mésons Y (4260) foram produzidos através do processo relativamente raro em que um elétron ou pósitron do feixe original irradia uma alta energia de raios gama, diminuindo assim a energia total da aniquilação para a região de massa da Y (4260). Quando elétrons e pósitrons colididem com uma energia correspondente à massa Y (4260), ela pode ser formada, e isto, na verdade, levou à sua descoberta inicial.
As partículas anômalas de charmonium, como a Y (4260) e, agora, o Zc (3900), parecem ser membros de uma nova classe de recém-descobertas partículas subatômicas, chamadas mésons XYZ, que estão incrementando novas dimensões para o estudo da força forte em que quarks e anti-quarks exercem sobre si. Na teoria mais aceita destas forças, cromodinâmica quântica (QCD), há mais possibilidades para os mésons charmonium do que simplesmente um quark charm ligado a um anti-quark charm. Algumas teorias predizem que glúons, as partículas que mediadoras das forças entre quarks, podem eles próprios existirem dentro de mésons em um estado excitado, uma configuração denominada "charmonium híbrido". Outra possibilidade proposta é que mais do que apenas um par de quark charm e um anti-quark charm podem ser unidos para formar "tetraquark" ou mésons.
Em princípio, a QCD poderia ser utilizada para determinar as propriedades dessas configurações mais exóticas. O problema é que, quando é aplicada a QCD em situações como estas, as equações que se seguem são impossíveis de resolver, pelo menos, não por meio de técnicas normais. Algum progresso tem sido feito recentemente através de métodos numéricos com computadores muito potentes para resolver as equações aplicáveis à ​​QCD, e há indicações de que estes métodos, referidos como "rede QCD," pode vir a ser capaz de explicar a existência do Y (4260) como um estado de charmonium híbrido.
No entanto, o quadro híbrido, não pode explicar a recém-descoberta Zc (3900), que decai em méson π+ e J/ψ neutra e, portanto, apresentando uma carga elétrica. A Zc (3900) possui uma massa ligeiramente mais elevada do que a de um átomo de hélio, devendo conter um quark charm e um anti-quark charm oriundos da partícula J/ψ. Mas essa configuração é eletricamente neutra. Adicionando um glúon para formar um híbrido não ajuda, porque glúons também são eletricamente neutros. Deste modo para ter uma carga elétrica diferente de zero a Zc (3900) também deve conter quarks mais leves. Diferentes modelos teóricos têm sido propostos que tentam explicar como isso poderia acontecer. A partícula de carga positiva Zc (3900) poderia estar vinculada a um composto com quark charm, quark anti-charm, quark up e quark down. Ou, talvez, a Zc (3900) é uma estrutura constituída por dois mésons, cada um dos quais contendo um quark charm (ou anti-quark charm) ligado a um anti-quark (ou quark). Outro cenário é que o Zc (3900) é um artefato da interação entre estes dois mésons. Quando novos resultados experimentais forem obtidos como insumos para a teoria, será possível um entendimento mais completo das partículas XYZ descobertas nos últimos anos.

Um artigo sobre a pesquisa foi submetido à Physical Review Letters.

Fonte: Institute of High Energy Physics