O Pentaquark: uma nova peça do quebra-cabeça cósmico!

Descrição da imagem: Visualização artística das interações entre partículas instáveis. Fonte da imagem: Astronoo IA.

A física das partículas

Cada partícula contém uma energia colossal, regida por mecanismos sutis e complexos, estudados no contexto da fascinante física das partículas.

Os quarks e os léptons são as partículas elementares que constituem toda a matéria ordinária que conhecemos, enquanto os bósons são os mediadores das forças fundamentais da natureza. Esses constituintes quânticos são descritos pelo modelo padrão das partículas elementares, consolidado por confirmações experimentais como a descoberta do quark top (1995), do neutrino tau (2000) e do bóson de Higgs (2012).

Os prótons e os nêutrons são partículas compostas, não elementares, constituídas por um conjunto complexo de quarks ligados entre si por gluões. Esses gluões, vetores da interação nuclear forte, transmitem uma propriedade chamada carga de cor, da qual se origina o nome informal de força de cor.

Qual é o lugar do pentaquark na física das partículas?

O pentaquark é uma partícula composta, mas sua estrutura é muito mais complexa do que a de um próton. Os pentaquarks são partículas subatômicas exóticas compostas por cinco quarks. De acordo com o modelo padrão da física das partículas, os quarks são os blocos fundamentais da matéria, combinados habitualmente em grupos de dois ou três para formar mésons (pions ou kaons) e bárions (prótons ou nêutrons).

Um pentaquark é composto por quatro quarks ($q$) e um antiquark ($\bar{q}$), o que pode ser escrito simbolicamente como $(qqqq\bar{q})$. Essa estrutura permite uma grande diversidade de combinações possíveis, tornando seu estudo particularmente complexo. De fato, um pentaquark pode ser composto de diferentes combinações de quarks (up, down, strange, charm, bottom, top) e antiquarks. Cada combinação resulta em um pentaquark com uma massa diferente. Esses estados são formados por interações fortes, descritas pela teoria da cromodinâmica quântica (QCD).

O próton, composto por dois quarks up ($u$) e um quark down ($d$), é estável (10³⁰ anos), sendo um dos elementos básicos da matéria ordinária. Assim como no próton, os quarks em um pentaquark são mantidos juntos por gluões via interação forte, mas a dinâmica é mais complexa devido à presença do antiquark. Ao contrário do próton, os pentaquarks são extremamente instáveis e se desintegram rapidamente em outras partículas, como mésons (pions ou kaons) instáveis ou bárions (prótons ou nêutrons) mais estáveis. Sua vida útil é comparável à das partículas fortemente interativas produzidas pela interação forte, ou seja, de 10^-23 a 10^-20 segundos.

A dinâmica dos quarks: do confinamento à liberdade assintótica

É impossível isolar um único quark, pois a interação forte, que os mantém unidos, torna-se mais intensa à medida que os quarks se afastam. Esse fenômeno, conhecido como "confinamento de quarks", implica que a força atua como um vínculo elástico, mantendo os quarks juntos. Por outro lado, quando os quarks estão muito próximos uns dos outros, a interação forte enfraquece, dando origem a uma propriedade chamada "liberdade assintótica". A liberdade assintótica descreve o fato de que, a distâncias muito curtas ou em energias muito altas, os quarks interagem de forma fraca e se comportam quase como partículas livres, uma propriedade única da interação forte. Essa característica decorre da carga de cor, específica das partículas sujeitas à interação forte.

Descoberta do pentaquark e implicações

Os pentaquarks são detectados indiretamente em experimentos de física de altas energias (como no LHCb no CERN) graças aos produtos de sua desintegração. As assinaturas de sua desintegração rápida permitem estimar sua vida útil.

Os pentaquarks foram detectados experimentalmente em 2015. Essa descoberta permitiu confirmar a existência de formas exóticas de matéria previstas teoricamente desde os anos 1960. Essas partículas oferecem uma janela única para estudar a força fundamental que une os quarks entre si.

Descrever um pentaquark (quatro quarks e um antiquark) como um arranjo sutil de um bárion (três quarks) e um méson (um quark e um antiquark) é uma descrição parcial e plausível, mas corresponde a uma hipótese específica (estado molecular). Outras configurações, como o estado compacto, também são consideradas. As pesquisas em andamento visam determinar precisamente a natureza desses hádrons exóticos.