Pentaquark - Pentaquark

Dois modelos de um pentaquark genérico
Uma "bolsa" de cinco quark
Uma "molécula meson-bárion"
Um q indica um quark e um q um antiquark . Gluons (linhas onduladas) medeiam fortes interações entre quarks. As cargas de cor vermelha, verde e azul devem estar presentes cada uma, enquanto o quark e antiquark restantes devem compartilhar uma cor e seu anticolor, neste exemplo azul e anti-azul (mostrado como amarelo).

Um pentaquark é uma partícula subatômica feita pelo homem , consistindo em quatro quarks e um antiquark unidos ; eles não são conhecidos por ocorrerem naturalmente, ou existem fora de experimentos especificamente realizados para criá-los.

Como os quarks têm um número bárion de ++1/3, e antiquarks de -+1/3, o pentaquark teria um número bárion total de 1 e, portanto, seria um bárion . Além disso, por ter cinco quarks em vez dos três usuais encontrados em bárions regulares ( também conhecidos como 'triquarks'), é classificado como um bárion exótico . O nome pentaquark foi cunhado por Claude Gignoux et al . (1987). e Harry Lipkin em 1987; no entanto, a possibilidade de partículas de cinco quarks foi identificada já em 1964, quando Murray Gell-Mann postulou pela primeira vez a existência de quarks . Embora previsto por décadas, pentaquarks provou ser surpreendentemente difícil de descobrir e alguns físicos estavam começando a suspeitar que uma lei desconhecida da natureza impedia sua produção.

A primeira alegação de descoberta do pentaquark foi registrada no LEPS no Japão em 2003, e vários experimentos em meados dos anos 2000 também relataram descobertas de outros estados do pentaquark. Outros não foram capazes de replicar os resultados do LEPS, no entanto, e as outras descobertas do pentaquark não foram aceitas por causa de dados e análises estatísticas deficientes. Em 13 de julho de 2015, a colaboração do LHCb no CERN relatou resultados consistentes com os estados do pentaquark na decadência dos bárions Lambda inferiores ( Λ0
b) Em 26 de março de 2019, a colaboração do LHCb anunciou a descoberta de um novo pentaquark que não havia sido observado anteriormente. As observações ultrapassam o limite de 5 sigma necessário para reivindicar a descoberta de novas partículas.

Fora dos laboratórios de física de partículas , os pentaquarks também podem ser produzidos naturalmente por supernovas como parte do processo de formação de uma estrela de nêutrons . O estudo científico de pentaquarks pode oferecer insights sobre como essas estrelas se formam, bem como permitir um estudo mais completo das interações das partículas e da força forte .

Fundo

Artigo principal: Quark

Um quark é um tipo de partícula elementar que tem massa , carga elétrica e carga de cor , bem como uma propriedade adicional chamada sabor , que descreve o tipo de quark que é (para cima, para baixo, estranho, charme, superior ou inferior) . Devido a um efeito conhecido como confinamento de cor , os quarks nunca são vistos por si próprios. Em vez disso, eles formam partículas compostas conhecidas como hádrons, de modo que suas cargas coloridas se cancelam. Os hadrons feitos de um quark e um antiquark são conhecidos como mésons , enquanto aqueles feitos de três quarks são conhecidos como bárions . Esses hádrons 'regulares' são bem documentados e caracterizados; entretanto, não há nada em teoria que impeça os quarks de formar hadrons 'exóticos' , como tetraquarks com dois quarks e dois antiquarks, ou pentaquarks com quatro quarks e um antiquark.

Estrutura

cinco círculos organizados no sentido horário: círculo azul marcado com "c", círculo amarelo (anti-azul) marcado com "c", círculo verde marcado com "u", círculo azul marcado com "d" e círculo vermelho marcado com "u".
Um diagrama do P+
c tipo pentaquark possivelmente descoberto em julho de 2015, mostrando os sabores de cada quark e uma configuração de cor possível.

Uma grande variedade de pentaquarks é possível, com diferentes combinações de quarks produzindo diferentes partículas. Para identificar quais quarks compõem um dado pentaquark, os físicos usam a notação qqqq q , onde q e q, respectivamente, se referem a qualquer um dos seis sabores de quarks e antiquarks. Os símbolos u, d, s, c, b e t representam os quarks para cima , para baixo , estranho , charme , inferior e superior , respectivamente, com os símbolos de u , d , s , c , b , t correspondendo ao respectivos antiquarks. Por exemplo, um pentaquark feito de dois quarks up, um quark down, um quark charme e um antiquark charme seria denotado uudc c .

Os quarks são unidos pela força forte , que atua de forma a cancelar as cargas de cor dentro da partícula. Em um méson, isso significa que um quark é associado a um antiquark com uma carga de cor oposta - azul e anti-azul, por exemplo - enquanto em um bárion, os três quarks têm entre eles todas as três cargas de cor - vermelho, azul e verde. Em um pentaquark, as cores também precisam ser canceladas e a única combinação viável é ter um quark com uma cor (por exemplo, vermelho), um quark com uma segunda cor (por exemplo, verde), dois quarks com a terceira cor (por exemplo, azul ), e um antiquark para neutralizar a cor excedente (por exemplo, antiblue).

O mecanismo de ligação para pentaquarks ainda não está claro. Eles podem consistir em cinco quarks fortemente unidos, mas também é possível que eles sejam mais fracamente ligados e consistam em um bárion de três quark e um mesão de dois quark interagindo de forma relativamente fraca entre si por meio de troca de píons (a mesma força que se liga núcleos atômicos ) em uma "molécula méson-bárion".

História

Meados da década de 2000

A exigência de incluir um antiquark significa que muitas classes de pentaquark são difíceis de identificar experimentalmente - se o sabor do antiquark corresponder ao sabor de qualquer outro quark no quíntuplo, ele se cancelará e a partícula se parecerá com seu primo hadron de três quarks . Por esta razão, as primeiras pesquisas do pentaquark procuraram por partículas onde o antiquark não cancelou. Em meados dos anos 2000, vários experimentos alegaram revelar os estados do pentaquark. Em particular, uma ressonância com uma massa de1540  MeV / c 2 (4,6  σ ) foi relatado pelo LEPS em 2003, o
Θ+
. Isso coincidiu com um estado pentaquark com uma massa de1530 MeV / c 2 previsto em 1997.

O estado proposto era composto de dois quarks up , dois quarks down e um antiquark estranho (uudd s ). Após este anúncio, nove outros experimentos independentes relataram ter visto picos estreitos de
n

K+
 e
p

K0
, com massas entre 1522 MeV / c 2 e1555 MeV / c 2 , todos acima de 4 σ. Embora existissem dúvidas sobre a validade desses estados, o Particle Data Group deu a
Θ+
uma classificação de 3 estrelas (de 4) na Revisão de Física de Partículas de 2004 . Dois outros estados do pentaquark foram relatados, embora com baixa significância estatística - o
Φ−−
(ddss u ), com uma massa de1860 MeV / c 2 e o
Θ0
c(uudd c ), com uma massa de3099 MeV / c 2 . Posteriormente, ambos foram considerados efeitos estatísticos em vez de ressonâncias verdadeiras.

Dez experimentos então procuraram o
Θ+
, mas saiu de mãos vazias. Dois em particular (um no BELLE e o outro no CLAS ) tinham quase as mesmas condições que outros experimentos que afirmavam ter detectado o
Θ+
( DIANA e SAPHIR respectivamente). A Revisão de Física de Partículas de 2006 concluiu:

[T] aqui não houve uma confirmação de alta estatística de qualquer um dos experimentos originais que afirmavam ver o
Θ+
; houve duas repetições de alta estatística do Jefferson Lab que mostraram claramente que as afirmações positivas originais nesses dois casos estavam erradas; houve uma série de outros experimentos de alta estatística, nenhum dos quais encontrou qualquer evidência para o
Θ+
; e todas as tentativas de confirmar os outros dois estados pentaquark reivindicados levaram a resultados negativos. A conclusão de que pentaquarks em geral, e o
Θ+
, em particular, não existem, parece atraente.

A Revisão de Física de Partículas de 2008 foi ainda mais longe:

Existem dois ou três experimentos recentes que encontraram evidências fracas de sinais próximos às massas nominais, mas simplesmente não há sentido em tabulá-los em vista da evidência esmagadora de que os alegados pentaquarks não existem ... A história toda - as próprias descobertas , a onda de artigos de teóricos e fenomenologistas que se seguiu e a eventual "não descoberta" - é um episódio curioso na história da ciência.

Apesar destes resultados nulos , PELs resultados continuaram a mostrar a existência de um estado estreito, com uma massa de1524 ± 4  MeV / c 2 , com significância estatística de 5,1 σ.

Resultados do LHCb de 2015

Diagrama de Feynman representando a decadência de um bárion lambda Λ0
bem um kaon K-
e um pentaquark P+
c.

Em julho de 2015, a colaboração do LHCb no CERN identificou pentaquarks no Λ0
b→ J / ψK-
canal p , que representa a decadência do bárion lambda inferior (Λ0
b) em um mesão J / ψ (J / ψ) , um kaon (K-
) e um próton (p). Os resultados mostraram que às vezes, em vez de decair via estados lambda intermediários , o Λ0
bdecaiu via estados pentaquark intermediários. Os dois estados, chamados P+
c(4380) e P+
c(4450) , tinha significâncias estatísticas individuais de 9 σ e 12 σ, respectivamente, e uma significância combinada de 15 σ - o suficiente para reivindicar uma descoberta formal. A análise descartou a possibilidade de o efeito ser causado por partículas convencionais. Os dois estados de pentaquark foram observados decaindo fortemente para J / ψp , portanto, deve ter um conteúdo de quark de valência de dois quarks up , um quark down , um quark charme e um quark anti-charme (
você

você

d

c

c
), tornando-os charmonium -pentaquarks.

A busca por pentaquarks não era um objetivo do experimento LHCb (que é projetado principalmente para investigar a assimetria matéria-antimatéria ) e a aparente descoberta de pentaquarks foi descrita como um "acidente" e "algo em que tropeçamos" pelo Coordenador de Física para o experimento.

Estudos de pentaquarks em outros experimentos

Um ajuste para o espectro de massa invariante J / ψp para o Λ0
b→ J / ψK-
decadência p , com cada componente de ajuste mostrado individualmente. A contribuição do pentaquarks é mostrada por histogramas hachurados .

A produção de pentaquarks a partir de decaimentos eletrofracos de Λ0
bbárions tem seção transversal extremamente pequena e produz informações muito limitadas sobre a estrutura interna dos pentaquarks. Por este motivo, existem várias iniciativas em andamento e propostas para estudar a produção de pentaquark em outros canais.

Espera-se que os pentaquarks sejam estudados em colisões elétron-próton no hall B E2-16-007 e no hall C E12-12-001A experimentos no JLAB . O maior desafio nesses estudos é uma grande massa de pentaquark, que será produzida na cauda do espectro fóton-próton na cinemática JLAB. Por esta razão, as frações de ramificação atualmente desconhecidas do pentaquark devem ser suficientemente grandes para permitir a detecção do pentaquark na cinemática JLAB. O colisor de íons de elétrons proposto, que tem energias mais altas, é muito mais adequado para este problema.

Um canal interessante para estudar pentaquarks em colisões próton-nucleares foi sugerido por Schmidt & Siddikov (2016). Este processo tem uma grande seção transversal devido à falta de intermediários eletrofracos e dá acesso à função de onda do pentaquark. Nos experimentos de alvos fixos, os pentaquarks serão produzidos com pequena rapidez em laboratório e serão facilmente detectados. Além disso, se houver pentaquarks neutros, como sugerido em vários modelos baseados na simetria de sabor, eles também podem ser produzidos neste mecanismo. Este processo pode ser estudado em futuros experimentos de alta luminosidade como After @ LHC e NICA.

Resultados do LHCb 2019

Em 26 de março de 2019, a colaboração do LHCb anunciou a descoberta de um novo pentaquark, com base em observações que ultrapassaram o limite de 5 sigma, usando um conjunto de dados muitas vezes maior do que o conjunto de dados de 2015.

Designado P c (4312) + (P c + identifica um charmonium-pentaquark enquanto o número entre parênteses indica uma massa de cerca de 4312 MeV), o pentaquark decai em um próton e um méson J / ψ. As análises revelaram, adicionalmente, que as observações relatadas anteriormente do P c (4450) + pentaquark na verdade eram a média de duas ressonâncias diferentes, designadas P c (4440) + e P c (4457) + . Compreender isso exigirá um estudo mais aprofundado.

Formulários

Tubos de fluxo de cor produzidos por cinco cargas estáticas de quark e antiquark, calculados na rede QCD . O confinamento na cromodinâmica quântica leva à produção de tubos de fluxo conectando cargas coloridas. Os tubos de fluxo atuam como potenciais atraentes do tipo string QCD .

A descoberta de pentaquarks permitirá aos físicos estudar a força forte em maiores detalhes e auxiliar na compreensão da cromodinâmica quântica . Além disso, as teorias atuais sugerem que algumas estrelas muito grandes produzem pentaquarks à medida que entram em colapso. O estudo de pentaquarks pode ajudar a lançar luz sobre a física das estrelas de nêutrons .

Veja também

Notas de rodapé

Referências

Leitura adicional

links externos