Quantas novas partículas foram descobertas no Grande Colisor de Hádrons?
A descoberta mais famosa, claro,
O que são hadrões?
Então, quais são esses 59 novos hádrons?Vamos começar do início: os hádrons não são partículas elementares - os físicos sabem disso desde 1964, quando Murray Gell-Mann e George Zweig propuseram independentemente o que hoje é conhecido como modelo de quark. Ela apresentou os hádrons como partículas compostas, consistindo em novos tipos de partículas elementares - quarks.
Quarks nascem livres, mas são encontrados apenas vinculados ...
Frank Wilczek
Prêmio Nobel de Física pela descoberta da liberdade assintótica na teoria das interações fortes, 2004
O próprio termo "hadron" vem do grego“Hadros” é forte e reflete a propriedade dos hadrões de participarem de interações fortes. Essas são interações fundamentais de curto alcance que ligam os quarks dentro dos núcleons e outros hádrons. A força dessa interação é muito superior à força das outras três interações fundamentais - eletromagnética, fraca e gravitacional.
Uma breve visão geral das várias famílias de partículas elementares e compostas e teorias que descrevem suas interações. Partículas elementares à esquerda são férmions, à direita são bósons.
Hadrons são sistemas relacionados de quarks e antiquarks. Existem dois tipos de hádrons - bárions e mésons.
- Bárions (carga bariônica B = +1) — partículas constituídas por três quarks (qqq) e sendo férmions (J = 1/2, 3/2, ...). Os bárions incluem, por exemplo, o próton e o nêutron.
- Antibaryons (B = -1) consistem em três antiquarks (). O antipróton e o antinêutron pertencem ao grupo dos antibárions.
- Os mésons (B = 0), consistindo em um quark e um antiquark (q), ocupam uma posição intermediária. Os mésons têm um spin inteiro e são bósons (J = 0, 1, 2, ...)
Por sua vez, os quarks são partículas fundamentais no Modelo Padrão. Eles têm uma carga elétrica múltipla de e/3 e não é observável no estado livre.
Professor Murray Gell-Mann na ATLAS Cave em 2012. Gell-Mann propôs o modelo quark e o nome "quark" em 1964 e recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1969. (Imagem: CERN)
Como aparecem os novos hádrons?
Mas assim como os pesquisadores aindadescobrir novos isótopos 150 anos depois de Mendeleev ter criado a tabela periódica, a pesquisa sobre os possíveis estados compostos formados por quarks ainda é uma área ativa da física de partículas.
A razão para isso está na cromodinâmica quântica.ou QCD, uma teoria que descreve a forte interação que mantém os quarks juntos dentro dos hádrons. Essa interação tem várias características interessantes, incluindo o fato de que a força da interação não diminui com a distância. Isso leva a uma propriedade que proíbe a existência de quarks livres fora dos hádrons - limitação de cor. Tais características tornam essa teoria muito difícil do ponto de vista matemático.
Na verdade, até agora, a limitação de cor em si não foi comprovada analiticamente. E os cientistas ainda não têm forma de prever com precisão que combinações de quarks poderão formar hádrons.
O que sabemos sobre os hádrons?
Na década de 1960 já existiam mais de 100tipos de hádrons. Eles foram descobertos em experimentos com aceleradores e em experimentos com raios cósmicos. O modelo de quarks permitiu aos físicos descrever todo o “zoológico” como diferentes estados compostos de apenas três quarks diferentes: up, down e estranho. Todos os hádrons conhecidos podem ser descritos como consistindo de três quarks (formando bárions) ou como pares quark-antiquark (formando mésons). Mas a teoria também previu outros arranjos possíveis para os quarks.
Já no artigo original de Gell-Mann sobre quarksEm 1964, a ideia de partículas contendo mais de três quarks foi considerada possível. Os cientistas hoje sabem que tais partículas existem. E, no entanto, levou várias décadas para confirmar experimentalmente os primeiros hádrons de quatro e cinco quarks ou tetraquarks e pentaquarks.
Uma lista completa de 59 novos hádrons descobertos no LHC é mostrada na imagem abaixo.
Uma lista completa de novos hádrons descobertos no LHC,desagregado por ano de descoberta (eixo horizontal) e massa de partícula (eixo vertical). Cores e formas indicam o conteúdo de quark desses estados. Crédito: LHCb / CERN.
Algumas dessas partículas são pentaquarks, algumas são tetraquarks e algumas são novos estados (excitados) de bárions e mésons de alta energia.
- Pentaquarks são um grupo de compostos subatômicospartículas constituídas por cinco quarks. A sua existência foi comprovada através do Large Hadron Collider em julho de 2015. São bárions, hádrons, férmions, ressonâncias. Eles dão origem a uma direção de pesquisa em espectroscopia de hádrons - a física dos pentaquarks.
- Um tetraquark é uma partícula elementar, um hádron, que consiste em dois quarks e dois antiquarks. O spin de um tetraquark só pode ser inteiro, portanto apenas mésons podem ter uma estrutura tetraquark.
- Os bárions são uma família de partículas elementares:férmions de forte interação consistindo de três quarks. Em 2015, também foi comprovada a existência de partículas semelhantes de 5 quarks, chamadas pentaquarks. Os principais bárions incluem (à medida que a massa aumenta): próton, nêutron, bárion lambda, hiperon sigma, hiperon xy, hiperon ômega. A massa de um hiperon ômega (3.278 massas de elétrons) é quase 1,8 vezes a massa de um próton.
- Meson é um hadron com valor zeronúmero barion. No modelo padrão, os mésons são partículas elementares compostas por um número igual de quarks e antiquarks. Os mésons incluem píons (mésons π), kaons (mésons K) e outros mésons mais pesados.
Os mésons foram originalmente previstos como partículas que carregam a força forte e são responsáveis por confinar prótons e nêutrons nos núcleos atômicos.
Todos os mésons são instáveis.Devido à presença de energia de ligação, a massa de um méson é muitas vezes maior que a soma das massas dos seus quarks constituintes. Os bárions, juntamente com os mésons (estes últimos constituídos por um número par de quarks), constituem um grupo de partículas elementares que participam da interação forte e são chamadas de hádrons.
A descoberta dessas novas partículas junto com mediçõessuas propriedades ainda fornecem informações importantes para testar os limites do modelo de quarks. Por sua vez, isto permite aos investigadores aprofundar a sua compreensão da força forte, testar previsões teóricas e ajustar modelos. Vale a pena notar que isto é especialmente importante para pesquisas conduzidas no LHC. O fato é que a interação forte é responsável pela maior parte do que acontece quando os hádrons colidem. Quanto melhor os cientistas compreenderem a força forte, mais precisas serão as simulações dessas colisões. Como resultado, aumentarão as chances de observarmos pequenos desvios das expectativas que possam sugerir possíveis novos fenômenos físicos.
O primeiro hadron descoberto no LHC (LHC), χb (3P), foi descoberto pelo ATLAS, e o mais recente inclui um novo e bonito bárion estranho observado pelo CMS e quatro tetraquarks descobertos pelo LHCb.
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O Modelo Padrão é uma construção teórica emfísica das partículas elementares, que descreve as interações eletromagnéticas, fracas e fortes de todas as partículas elementares. A formulação moderna foi concluída em meados dos anos 70, após a confirmação experimental da existência de quarks.
Um férmion é uma partícula ou quasipartícula com valor de spin meio inteiro, o momento angular intrínseco das partículas elementares.