Partícula pentaquark é detectada no LHC

Matthew Chalmers e revista Nature

Uma exótica partícula formada por cinco quarks foi descoberta uma década depois que experimentos científicos pareciam ter descartado sua existência.

O efêmero “pentaquark” foi detectado por pesquisadores que analisavam dados sobre o decaimento de partículas instáveis no experimento LHCb no Grande Colisor de Hádrons (LHC, em inglês) do CERN, o laboratório europeu de física de partículas, perto de Genebra, na Suíça.

De acordo com Guy Wilkinson, porta-voz do LHCb, a descoberta abre uma nova era no entendimento que físicos têm da chamada força forte, que mantém núcleos atômicos agregados.

“O pentaquark não é uma partícula nova qualquer; ele representa uma forma de agregar quarks, mais exatamente os constituintes fundamentais de prótons e nêutrons comuns, em um padrão nunca observado antes”, explica ele.

“Estudar suas propriedades talvez nos permita entender melhor como é constituída a matéria comum, os prótons e nêutrons dos quais todos nós somos feitos.” 

Prótons e nêutrons são formados por três tipos de quarks aglutinados, mas os teóricos calculam que, em princípio, as partículas poderiam ser feitas de até cinco quarks.

Essas partículas seriam um rico campo de teste para a cromodinâmica quântica (QCD, em inglês), a teoria que descreve as forças que mantêm os quarks agregados. 

Em 2002, pesquisadores da instalação de radiação síncrotron Spring-8 em Harima, no Japão, causaram grande agito quando anunciaram a descoberta de um pentaquark, aproximadamente 1,5 vezes mais pesado que um próton, inferindo sua existência a partir dos restos (detritos) de colisões entre fótons de alta energia e nêutrons.

Em apenas um ano, mais de 10 outros laboratórios haviam relatado ter encontrado evidências para a partícula ao reanalisarem dados.

Porém muitos outros não observaram nenhuma evidência para esse estado e, em 2005, a descoberta foi pronunciada uma miragem.

A última gota d’água veio com um experimento nas instalações do Acelerador Nacional Thomas Jefferson em Newport News, na Virgínia, que repetiu a medição da Spring-8 com mais dados e descartou a existência do pentaquark.

“Episódio curioso”

Desde então, o evento vem sendo apontado como um exemplo de como dados podem enganar cientistas e levá-los a “enxergar mais do que de fato existe”.

Em 2008, a avaliação anual do Review of Particle Physics (do PDG, ou Particle Data Group), o registro oficial da disciplina, descreveu o pentaquark como “um episódio curioso na história da ciência” e suas listagens mais recentes não incluem uma entrada dedicada especificamente para a partícula.

Essas listagens agora terão de ser corrigidas, porque o resultado do LHCb deixa pouca dúvida de que pentaquarks são reais, argumentam muitos pesquisadores.

Físicos observaram um sinal revelando a inesperada aparição de dois efêmeros objetos, pesando 4,38 e 4,45 giga elétron-volts [GeV] (4,67 e 4,74 vezes mais pesados que um próton), durante o decaimento de trilhões de partículas subatômicas conhecidas como bárions lambda B ao analisarem dados registrados entre 2009 e 2012. 

Após medir as propriedades dos novos objetos e esgotar outras partículas conhecidas como possíveis candidatos, a equipe concluiu que eles correspondem a um pentaquark em duas configurações distintas.

A partícula contém dois quarks “up”, um quark “down” e um par de quarks-antiquarks “charm”, formando um pentaquark “charmônio”.

Uma versão pré-impressão sobre a partícula foi postada no servidor arXiv, e submetida para publicação no periódico científico Physics Review Letters.

Perseguidos pelo pentaquark

O resultado, que incialmente chamou a atenção de físicos no LHCb em 2012 como um bump, uma anomalia, em seus dados, foi uma surpresa total, admite Sheldon Stone do LHCb, na Universidade de Syracuse, no estado de Nova York.

“Nos velhos tempos, procurávamos novas partículas por meio de um processo chamado bump-hunting, mas nesse caso foi o bump que nos encontrou!”, observa ele.

“Como à época estávamos estudando outra coisa o ignoramos de início. Por razões históricas, nos sentíamos um tanto perseguidos pela palavra pentaquark; por isso fizemos todas as verificações concebíveis que podíamos”, explica Stone.

Os pesquisadores têm toda confiança em sua descoberta: eles dizem que há uma pequena chance evanescente de o sinal aparecer se não houver novas partículas.

A variabilidade estatística conhecida como 9-sigma é muito maior que o desvio 5-sigma geralmente exigido para uma descoberta significativa em física de partículas, como o anúncio do bóson de Higgs, em 2012.

O resultado poderia ser interessante porque poderia revelar mais sobre a QCD, argumenta o teórico Frank Close da Universidade de Oxford, no Reino Unido. 

“Minha sensação imediata de preocupação é que eles alegam a existência de dois estados: isso se deve ao fato de eles terem encontrado um processo que favorece a produção de pentaquarks, ou porque eles na realidade não encontraram a melhor interpretação dos dados?”, pergunta ele.

No entanto, o novo pentaquark não é aquele conhecido como o theta+, observado em 2002: ele é quase três vezes mais pesado, e contém diferentes tipos de quarks.

“Acho que nosso resultado energizará a busca de muitos estados pentaquark diferentes, inclusive o desacreditado theta+”, prevê Stone.

“Uma diferença importante em relação ao theta+ e outros estados é que nossos pentaquarks têm a presença de quarks charm-anticharm que podem resultar em uma agregação/ligação muito mais forte. Então, pentaquarks com esses componentes podem existir enquanto outros, com elementos mais leves, não podem”.

Este artigo foi reproduzido com permissão e foi publicado inicialmente em 14 de julho de 2015.