Massa dos quarks é demonstrada experimentalmente pela primeira vez
Cascata de partículas e glúons iniciada por um quark charme em desaceleração. Quanto mais a cascata se desenvolve, menores as energias das partículas secundárias e maior o ângulo de abertura dos cones mortos evitados pelos glúons subsequentes.
Físicos conseguiram observar diretamente pela primeira vez a massa dos quarks, partículas elementares constituintes dos átomos.
"As massas dos quarks são quantidades fundamentais em física das partículas, mas essas massas não podem ser acessadas e medidas diretamente em experimentos porque, com exceção do quark top, os quarks estão confinados dentro de partículas compostas. A nossa técnica bem-sucedida de observar diretamente o cone morto de um chuveiro de partons [quarks e glúons] pode oferecer uma forma de medir as massas dos quarks," explicou Andrea Dainese, coordenador do experimento Alice, um dos quatro grandes detectores do LHC.
Apesar de ser tão fundamental, a massa tem uma origem surpreendentemente complexa. Na física moderna, supõe-se que as massas dos quarks, originadas de suas interações com o campo de Higgs (suas manifestações são os famosos bósons de Higgs), contribuem apenas com uma pequena porcentagem para a massa de um próton ou de um nêutron.
No entanto, até hoje isso nunca foi demonstrado experimentalmente de forma direta. Embora as massas de quarks individuais tenham sido determinadas a partir de medições por muitos anos, isso foi feito apenas usando métodos indiretos.
Agora, finalmente foi possível observar um fenômeno que comprova diretamente a existência da massa de um dos quarks pesados.
"Quando os núcleos de chumbo colidem no acelerador de partículas do LHC, a densidade de energia pode se tornar tão grande que prótons e nêutrons decaem e momentaneamente formam um plasma de quark e glúons. No entanto, eles fazem isso de uma maneira bastante peculiar, que nossa equipe foi a primeira a conseguir observar," disse o professor Marek Kowalski.
Confirmar a massa de quarks mais pesados será ainda mais desafiador.
[Imagem: S. Acharya et al. - 10.1038/s41586-022-04572-w]
O fenômeno agora observado, que comprova a massa dos quarks, atende pelo curioso nome de "cone morto".
"Elétrons desacelerando em um campo magnético gostam de emitir fótons 'para frente', em um cone angular. Quanto maior sua energia original, mais estreito é o cone. Os quarks têm a predileção oposta. Quando eles perdem energia em um campo de fortes interações, eles emitem glúons, mas, quanto menor a energia e maior a massa do quark, menos glúons voam 'para frente'. Decorre dessa teoria que deve haver um certo cone angular em torno da direção do movimento dos quarks em que os glúons não aparecem. Esse cone - quanto mais divergente, menor a energia do quark e maior sua massa - é chamado de cone morto," explica o professor Kowalski.
Foi justamente esse cone morto que o detector Alice permitiu observar agora, depois de mais de 30 anos que essa teoria foi proposta. A dificuldade maior é que, embora a descrição do professor Kowalski pareça simples e direta, um quark em desaceleração emite glúons, que podem emitir mais glúons em diferentes ângulos, ou se transformar em partículas secundárias. Essas partículas têm energias cada vez menores, então os glúons que elas emitem evitarão cones mortos cada vez maiores.
Assim, para observar o efeito cone morto, milhões de cascatas produzidas por quarks charme - um dos sabores dos quarks - tiveram que ser reconstruídas a partir de dados fragmentados. A análise, realizada com ferramentas estatísticas sofisticadas, incluiu dados coletados durante três anos no LHC.
A confirmação experimental da existência do cone morto é uma conquista importante porque o mundo dos quarks e glúons é governado por fortes interações descritas por uma teoria chamada cromodinâmica quântica, que prevê que o efeito cone morto só pode ocorrer quando um quark que emite glúons tem massa diferente de zero.
Logo, esta é a primeira confirmação experimental direta da massa dos quarks.
O desafio agora será confirmar a massa de quarks mais pesados. Não será fácil porque, quanto maior a massa do quark, menos frequentemente ele é produzido pelas colisões e, portanto, mais difícil será coletar um número de casos que garantam a confiabilidade adequada das análises estatísticas.