"Três quarks para Muster Mark!", Escreveu James Joyce em sua fábula labiríntica,Finnegans Wake. Até agora, você já deve ter ouvido essa citação - a sentença curta e sem sentido que acabou por dar o nome "quark" aos blocos de construção mais fundamentais do Universo (ainda insuperável). Os físicos de hoje acreditam que entendem o básico de como os quarks se combinam; três se juntam para formar bárions (partículas cotidianas como o próton e o nêutron), enquanto dois - um quark e um antiquark - se unem para formar variedades mais exóticas e menos estáveis, chamadas mesons. As raras parcerias de quatro quarks são chamadas de tetraquarks. E cinco quarks ligados em uma dança delicada? Naturalmente, isso seria um pentaquark. E o pentaquark, até recentemente uma mera invenção da física, agora foi detectado no LHC!
Então, qual é o grande problema? Longe de ser uma palavra divertida para dizer cinco vezes mais rápido, o pentaquark pode desbloquear novas informações vitais sobre a forte força nuclear. Essas revelações podem finalmente mudar a maneira como pensamos sobre nosso amigo soberbamente denso, a estrela de nêutrons - e, de fato, a natureza da própria matéria familiar.
Os físicos conhecem seis tipos de quarks, ordenados por peso. Os mais leves dos seis são os quarks de cima e de baixo, que compõem os bárions cotidianos mais familiares (dois altos e um baixo no próton e dois baixos e um alto no nêutron). Os próximos mais pesados são os quarks de charme e estranhos, seguidos pelos quarks de cima e de baixo. E por que parar aí? Além disso, cada um dos seis quarks possui um antipartícula ou antiquark correspondente.
Um atributo importante dos quarks e seus equivalentes antipartículas é algo chamado "cor". Obviamente, os quarks não têm cor da mesma maneira que você pode chamar uma maçã de "vermelho" ou o oceano de "azul"; ao contrário, essa propriedade é uma maneira metafórica de comunicar uma das leis essenciais da física subatômica - que partículas contendo quarks (chamadas hadrons) sempre carregam uma carga de cor neutra.
Por exemplo, os três componentes de um próton devem incluir um quark vermelho, um verde e um azul. Essas três "cores" somam uma partícula neutra da mesma maneira que as luzes vermelha, verde e azul se combinam para criar um brilho branco. Leis semelhantes existem para o quark e o antiquark que compõem um meson: suas respectivas cores devem ser exatamente opostas. Um quark vermelho combina apenas com um antiquark anti-vermelho (ou ciano), e assim por diante.
O pentaquark também deve ter uma carga de cor neutra. Imagine um próton e um méson (especificamente, um tipo chamado J / psi meson) unidos - um quark vermelho, azul e verde em um canto e um par quark-antiquark de cor neutra no outro - por um total geral de quatro quarks e um antiquark, cujas cores se cancelam perfeitamente.
Os físicos não têm certeza se o pentaquark é criado por esse tipo de arranjo segregado ou se todos os cinco quarks estão ligados diretamente; de qualquer maneira, como todos os hádrons, o pentaquark é mantido sob controle por esse titã da dinâmica fundamental, a forte força nuclear.
A forte força nuclear, como o próprio nome indica, é a força indescritivelmente robusta que une os componentes de todo núcleo atômico: prótons e nêutrons e, mais crucialmente, seus próprios quarks constituintes. A força forte é tão tenaz que “quarks livres” nunca foram observados; todos eles estão confinados com muita força dentro de seus bárions pais.
Mas há um lugar no Universo em que os quarks podem existir por si mesmos, em uma espécie de estado meta-nuclear: em um tipo extraordinariamente denso de estrela de nêutrons. Em uma estrela típica de nêutrons, a pressão gravitacional é tão tremenda que prótons e elétrons deixam de existir. Suas energias e cargas se fundem, deixando apenas uma massa confortável de nêutrons.
Os físicos conjeturaram que, em densidades extremas, na mais compacta das estrelas, os nêutrons adjacentes dentro do núcleo podem até se desintegrar em uma confusão de partes constituintes.
A estrela de nêutrons ... se tornaria uma estrela de quarks.
Os cientistas acreditam que a compreensão da física do pentaquark pode lançar luz sobre o modo como a força nuclear forte opera em condições tão extremas - não apenas em estrelas de nêutrons excessivamente densas, mas talvez até nas primeiras frações de segundo após o Big Bang. Uma análise mais aprofundada também deve ajudar os físicos a refinar sua compreensão das maneiras que os quarks podem e não podem combinar.
Os dados que deram origem a essa descoberta - um enorme resultado 9-sigma! - saiu da primeira corrida do LHC (2010-2013). Com o supercollider agora operando com o dobro de sua capacidade de energia original, os físicos não devem ter problemas para desvendar ainda mais os mistérios do pentaquark.
Uma pré-impressão da descoberta do pentaquark, enviada à revista Physical Review Letters, pode ser encontrada aqui.
