Uma partícula feita apenas de força nuclear [forte]

Há décadas, osscientistas vêm procurando pelas assim chamadas “glueballs” (“bolas de gluons”). Parece que, enfim, acharam. Uma glueball é uma partícla exótica feita inteiramente de gluons – as partículas “pegajosas” que mantém juntas as partículas nucleares. As glueballs são instáveis e só podem ser detectadas indiretamente, por meio da análise de seu decaimento. No entanto, esse processo de decaimento ainda não é totalmente compreendido.

O Professor Anton Rebhan e Frederic Brünner da TU Wien (Viena, Áustria) empregaram uma nova abordagem teórica para calcular o decaimento de uma glueball. Seus resultados coincidem extremamente bem com dados obtidos em experiências em aceleradores de partículas. Há fortes indícios de que uma ressonância, chamada “f0(1710)”, encontrada em várias experiências, seja de fato a tão procurada glueball. Em pocos meses devem sair novos resultados experimentais.

As Forças também são Partículas

Prótons e nêutrons consistem de partículas ainda mais elementares, chamadas quarks. Esses quarks são ligados pela Força Nuclear Forte. “Na física de partículas, toda força é mediada por um tipo especial de partícula de força e a partícula da forças nuclear forte é o gluon”, explica Anton Rebhan (TU Wien).

Os gluons podem ser encarados como versões mais complexas do fóton. Os fótons sem massa são oss responsáveis pelas interações eletromagnéticas, enquanto que oito tipos diferentes de gluons desempenham um papel similar para a força nuclear forte. No entanto, existe uma importante diferença: os gluons interagem com eles mesmo, enquanto os fótons, não.  Por isso não existem partículas compostas (bound states) de fótons, mas uma partículas composta somente de gluons é, de fato, possível.

Em 1972, pouco depois que a teoria de quarks e gluons foi formulada, os físicos Murray Gell-Mann e Harald Fritsch especularam sobre possíveis partículas compostas somente de gluons (originalmente chamadas de “gluonium”; atualmente chamadas de “glueball”). Várias partículas, encontradas em experiências em aceleradores de partículas, foram consideradas como candidatas viáveis para glueballs, porém nunca houve um consenso científico sobre se esses sinais seriam ou não uma dessas misteriosas partículas feitas inteiramente de partículas de forças. Os sinais detectados poderiam ser, ao invés de uma glueball, uma cominação de quarks e antiquarks. As glueballs são efêmeras demais para serem diretamente detectadas. Se elas existirem, teriam que ser identificadas pelo estudo de seu decaimento.

A candidata f0(1710) decai de modo estranho

“Infelizmente, o padrão de decaimento das glueballs não pode ser calculado com rigor”, lamenta Anton Rebhan. Cálculos com modelos simplificados mostraram que há dois candidatos realísticos para glueballs: os mesons chamados f0(1500) e f0(1710). Por muito tempo, o primeiro foi considerado o candidato mais promissor. O segundo tem uma massa maior, o que concorda mais com as simulações computadorizadas, porém, quando decai, produz muito quarks pesados (os, assim chamados, “quarks estranhos”). Para muitos cientistas de partículas, isto parecia implausível, porque as interações dos gluons não fazem, usualmente, distinção entre quarks mais leves e mais pesados.

Anton Rebhan e seu estudante de PhD, Frederic Brünner, deram um grande passo à frente na solução desse enigma, usando uma abordagem diferente. Existem conexões fundamentais entre as teorias quânticas que descrevem o comportamento das partículas em nosso mundo tridimensional e certos tipos de teorias gravitacionais em espaços com mais dimensões. Isso significa que certas questões de física quântica podem ser respondidas, se usarmos ferramentas da física da gravidade.

“Nossos cálculos mostram que é efetivamente possível que as glueballs decaiam preferencialmente em quarks estranhos”, afirma Anton Rebhan. Surpreendentemente, o padrão de decaimento calculado, em duas partículas mais leves, é extremamente concordante com o padrão de decimento medido para o f0(1710). Além disto, outros decimentos em mais de duas partículas são possíveis. Esses padrões de decaimento também foram calculados.

Novos dados são esperados em breve

Até agora, esses decaimentos alternativos para as glueballs não foram medidos, porém, dentro dos próximos meses, novos dados serão obtidos em duas experências no Grande Colisor de Hardons (Large Hadron Collider = LHC) do CERN (TOTEM e LHCb) e um acelerador em Beijing (BESIII). “Esses resultados serão cruciais para nossa teoria”, diz Anton Rebhan. “Para esses processos multi-partículas, nossa teoria prevê taxas de decaimento muito diferentes dos outros modelos mais simples. Se as medições concordarem com nossos cálculos, isto será um notavel sucesso para nossa abordagem”. Seria um indício definitivo de que o f0(1710) é mesmo uma glueball. E, mais do que isso, será demonstrado que uma gravidade em número superior de dimensões pode ser utilizada para responder a questões da física de partículas – de uma forma que significaria mais um enorme sucesso para a Teoria da Relatividade Geral de Einstein que completa 100 anos no próximo mês.

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Artigo original: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.115.131601