Tudo ao nosso redor tem massa, mas a sua origem continua a ser uma das maiores questões sem resposta da física. De acordo com as teorias modernas, a massa não vem simplesmente da própria matéria. Em vez disso, está relacionado com a natureza do vácuo, que não é um espaço vazio, mas um ambiente dinâmico com estrutura complexa. O estudo de sistemas de partículas especiais pode ajudar os cientistas a compreender melhor esta estrutura oculta e como a massa é gerada.
Uma abordagem promissora são os mésons, que são partículas que consistem em um quark e um antiquark unidos no núcleo de um átomo. Essa combinação é conhecida como núcleo mésico. Ao estudar esses sistemas, os pesquisadores podem investigar a estrutura do vácuo e os mecanismos que dão massa às partículas. Agora, novos resultados experimentais aproximaram os cientistas desse objetivo, revelando evidências de um tipo inteiramente novo de núcleo mésico.
Evidência de um estado raro e exótico de partículas
Uma equipe internacional de pesquisadores relatou sinais de um estado anteriormente invisível, mas teoricamente previsto, chamado núcleo η′-mésico. Os seus resultados, a serem publicados na Physical Review Letters, apontam para a possível existência deste sistema acoplado incomum.
Sob certas condições, partículas de vida curta conhecidas como mésons, que duram menos de um décimo milionésimo de segundo, podem ficar temporariamente presas num núcleo atômico. Quando isso acontece, formam uma condição rara e exótica. O estudo desses núcleos mésicos pode ajudar os cientistas a entender como a força nuclear forte se comporta e como o vácuo muda em ambientes extremamente densos.
“Uma partícula de particular interesse é o méson η'”, diz o autor sênior Kenta Itahashi. “É invulgarmente pesado em comparação com as suas partículas relacionadas, e os físicos esperam que a sua massa mude quando existe dentro da matéria nuclear. A observação deste fenómeno fornecerá informações valiosas sobre como as massas das partículas no Universo são formadas.”
Um experimento de alta precisão em um acelerador de partículas
Para procurar núcleos η′-mésicos, a equipe conduziu um experimento de alta precisão no GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, na Alemanha.
Os pesquisadores apontaram um feixe de prótons de alta energia para um alvo de carbono. Este processo excitou os núcleos de carbono e produziu mésons η′, que em alguns casos se ligaram ao núcleo. Para estudar estas interações, a equipe mediu a energia de excitação dos núcleos de carbono analisando os deutérios – o núcleo atômico mais simples que consiste em um próton e um nêutron – emitidos durante a reação. Essas medições foram feitas usando um espectrômetro de alta resolução denominado Fragment Separator (FRS).
O experimento também contou com um detector especializado conhecido como WASA, originalmente desenvolvido em Uppsala, na Suécia. Este dispositivo permitiu aos cientistas detectar prótons de alta energia saindo do alvo e identificar sinais indicando que um méson η’ havia sido criado e capturado no núcleo. Esses sinais, conhecidos como assinaturas de decaimento, foram essenciais para identificar o estado exótico.
“Com nossa nova configuração experimental combinando FRS e WASA, podemos identificar estruturas nos dados que correspondem às características teóricas dos núcleos η′-mésicos”, explica o autor principal Ryohei Sekiya. “Nossa análise mostra que esses estados vinculados se formaram”.
O que os resultados mostram sobre a massa
O espectro de excitação do núcleo de carbono, medido no experimento, apresenta regularidades correspondentes à formação de núcleos η’-mésicos. Os resultados também mostram que a massa do méson η’ pode diminuir quando está dentro da matéria nuclear. A descoberta confirma previsões teóricas e oferece uma visão experimental rara sobre como as propriedades das partículas podem mudar sob condições extremas.
“Nossas medições fornecem novas pistas importantes sobre como os mésons se comportam na matéria nuclear”, diz Itahashi. “Isso nos aproxima de responder a questões fundamentais profundas sobre como a matéria adquire massa, bem como como a estrutura do vácuo dentro dos núcleos atômicos muda.”
O que acontecerá a seguir
A equipe planeja realizar mais experimentos para melhorar a precisão das medições e procurar sinais de decaimento adicionais que possam confirmar a existência de núcleos η′-mésicos. Cada novo resultado ajudará a melhorar a nossa compreensão das leis fundamentais que regem a matéria e o universo.
O artigo “Espectros de excitação da reação 12C(p,d) próximo ao limiar de emissão do méson η’ medido em coincidência com prótons de alto momento” foi publicado em Revisão de planilhas físicas.
