Um debate de 40 anos sobre quarks charm em prótons pode ter sido resolvido por uma nova análise de aprendizado de máquina de dados do Large Hadron Collider (LHC) no CERN e outras instalações. No entanto, nem toda física de partículas concorda com essa avaliação.
Por décadas, os físicos debateram se os prótons contêm o que é conhecido como quarks charme intrínseco. A cromodinâmica quântica (QCD), a teoria da força nuclear forte, nos diz que os prótons consistem em dois quarks up e um quark down unidos por portadores de força chamados glúons. Mas também prevê que prótons, como nêutrons ou qualquer outro hádron, contêm uma série de outros pares quark-anti quark.
Sabe-se que um grande número dessas partículas adicionais é gerado quando os glúons são acelerados durante colisões de alta energia entre prótons, assim como a teoria eletromagnética nos diz que os fótons são emitidos quando partículas carregadas aceleram. Mas o que é menos claro é até que ponto poderia haver quarks adicionais dentro dos prótons e nêutrons – os chamados quarks intrínsecos que contribuem para as funções de onda quânticas dos hádrons.
Mais pesado que prótons
Os cientistas concordam com a existência de quarks estranhos intrínsecos, dado que os quarks estranhos têm uma massa muito menor do que os prótons. No entanto, continua a haver incerteza sobre a existência e possível contribuição de quarks charm intrínsecos. Esses quarks são mais pesados que os prótons, mas apenas por uma pequena quantidade – deixando aberta a possibilidade de que eles forneçam um componente bastante pequeno, mas ainda assim observável, para a massa de um próton.
Enquanto alguns pesquisadores concluíram que os quarks charm podem fornecer não mais que 0.5% do momento de um próton, outros descobriram que uma contribuição de até 2% é possível.
No último trabalho, o Colaboração NNPDF – formado por físicos da Universidade de Milão, da Universidade Livre de Amsterdã e da Universidade de Edimburgo – diz ter encontrado “evidências inequívocas” de que os quarks charm intrínsecos realmente existem. Fê-lo baseando-se em resmas de dados de colisão do LHC e de outros lugares que anteriormente usava para elaborar o que é conhecido como funções de distribuição de partões (PDFs), que eles chamam de NNPDF4.0.
Partículas tipo ponto
Parton é um termo genérico para descrever partículas pontuais dentro de um hádron, proposto por Richard Feynman na década de 1960 para analisar colisões de partículas e agora é equivalente a um quark ou glúon. Como o momento, o spin e outras propriedades dos pártons são determinados pela força forte sob condições de acoplamento muito grande, seus valores não podem ser calculados usando as aproximações possíveis com QCD perturbativa. No entanto, estudando a cinemática das colisões de hádrons, é possível construir distribuições de probabilidade mostrando as chances de um párton ter uma certa fração do momento de um hádron em uma escala específica.
A nova pesquisa envolveu o cálculo do PDF de um quark charm considerando o momento em que ele e os três quarks mais leves – up, down e strange – contribuem para a colisão de um próton no processo de espalhamento. Eles então usaram QCD perturbativo – aproximando interações fortes usando os primeiros dois ou três termos em uma expansão da expressão de acoplamento forte – para converter este PDF em um composto de componentes radiativos apenas dos três quarks mais leves. Como eles apontam, despojado do próprio componente radiativo do quark charm, este novo PDF compreenderia apenas o charme intrínseco.
Fazendo isso usando redes neurais para combinar melhor os dados experimentais com a forma e a magnitude dos PDFs, eles concluem que os quarks charm intrínsecos definitivamente existem. Embora eles concluam que o charme intrínseco contribui com menos de 1% do momento do próton, seu PDF associado se assemelha fortemente ao esperado da teoria - um pico em uma fração de momento de cerca de 0.4 (as pequenas probabilidades envolvidas significando que a integração produz um pequeno total) enquanto diminui rapidamente em pequenas frações. Ele também se aproxima dos PDFs elaborados a partir de outros dados de colisão – especificamente, resultados recentes envolvendo a produção de bósons Z no experimento LHCb e dados muito anteriores da European Muon Collaboration (EMC) do CERN.
O NNPDF calcula que apenas com os dados de sua análise 4.0, a significância estatística do charme intrínseco sendo real é de cerca de 2.5σ, enquanto a significância aumenta para cerca de 3σ se os dados do LHCb e EMC também forem incluídos. Uma significância estatística de 5σ ou maior é geralmente considerada uma descoberta na física de partículas.
“Nossas descobertas encerram uma questão aberta fundamental na compreensão da estrutura do núcleon que tem sido muito debatida por partículas e físicos nucleares nos últimos 40 anos”, escreve a colaboração em um artigo em Natureza descrevendo sua pesquisa.
Observações de neutrinos
Os pesquisadores dizem que esperam mais estudos de charme intrínseco em experimentos como o LHCb do CERN e os do Electron-Ion Collider (atualmente sendo construído no Brookhaven National Laboratory, nos EUA). Observações em telescópios de neutrinos também são de interesse porque partículas contendo quarks charm podem decair para gerar neutrinos na atmosfera da Terra. Essas medições podem ajudar a definir a forma e a magnitude do charme intrínseco, bem como sondar quaisquer diferenças entre os quarks de charme intrínseco e os antiquarks”, de acordo com o membro do grupo. Juan Rojo da Universidade Livre de Amsterdã.
Alguns neutrinos cósmicos podem não ser cósmicos, afinal
Outros especialistas também aceitam mais dados, mas discordam sobre a importância do trabalho mais recente. Stanley Brodski no SLAC National Accelerator Laboratory, nos EUA, diz que o resultado fornece evidências “convincentes” de charme intrínseco. No entanto, Ramona Vogt do Lawrence Livermore National Laboratory, também nos Estados Unidos, aponta que sua significância estatística fica aquém do necessário para descobertas em física de partículas. “Este resultado é um passo à frente, mas não é a palavra final”, diz ela.
Wally Melnitchouk na Thomas Jefferson National Accelerator Facility, novamente nos EUA, é mais crítica. Longe de ser definitivo, ele considera a evidência do NNPDF como contingente em como ele define o charme intrínseco e as escolhas que faz para o cálculo perturbativo, argumentando que as definições de outros grupos que não encontraram evidências são igualmente válidas. Ele sustenta que um sinal muito mais convincente seria a observação de uma diferença entre os PDFs charme e anti-charme no próton. “Uma diferença diferente de zero entre estes é muito menos suscetível a escolhas de esquemas teóricos e definições”, diz ele.
