Cadernos das Jornadas
Edição: Escola Secundária de Tondela

ISBN: 972-9071-55-1
Depósito legal: 207679/04
Pré-impressão: Esferagráfica
Impressão: Tondelgráfica
Fevereiro 2004

A edição teve Apoio da Labesfal - Laboratórios Almiro, SA

A partícula D_s(2317) foi descoberta no início do ano 2003 pela colaboração BABAR do laboratório SLAC (Centro do Acelerador Linear de Stanford, EUA) e confirmada pela colaboração CLEO da Universidade de Cornell (EUA). Esta descoberta teve algum destaque na imprensa internacional e até nacional.

Na área da Física estuda-se tudo desde o mais pequeno até ao maior.
Num extremo, em cosmologia e astronomia exploram-se dimensões do tamanho do Universo, uns belos 10²⁶ metros.
No outro, os "microscópios" alcançam distâncias até 10^-18 metros.
Existe sempre a curiosidade de ir mais além destas fronteiras, o que nos faz prosseguir na procura de métodos e meios para enriquecer o nosso saber.

A partícula D_s(2317) representa uma das muitas combinações possíveis de quarks, isto é, um quark do tipo charm ligado, numa das também várias configurações possíveis, a um antiquark do tipo strange. Prever a existência da partícula D_s(2317) não é difícil. Porém, esta partícula é, surpreendentemente, bastante mais leve do que o previsto. Ou seja, no contexto dos habituais modelos que descrevem os quarks, algo parece não bater certo. Ao demonstrar que as interacções entre os quarks ainda não são inteiramente compreendidas fica evidente a importância desta descoberta.

Toda a matéria é composta de quarks, partículas extremamente pequenas. Lado ao lado, 10¹⁵ quarks ocupam uns 30 centímetros. Consequentemente, são precisos muitos quarks para constituir um objecto macroscópico. Por exemplo, o nosso corpo compõe-se de cerca de 10²⁹ quarks. Caso fossem enfiados num fio invisivelmente fino, os quarks do nosso corpo formariam um colar que daria um milhão de voltas à Terra.

Os quarks não estão soltos dentro da matéria, mas andam sempre agrupados em conjuntos de três. A estes conjuntos chamam-se protões ou neutrões, isto é, as partículas que constituem os núcleos dos átomos.

Na matéria vulgar, há dois tipos de quarks, a que se chamam quarks up e quarks down. Um neutrão consiste em um quark "up" e dois quarks "down", um protão em dois quarks "up" e um quark "down".

Além dos quarks que constituem a essência da matéria que conhecemos, ainda são constantemente criados e aniquilados pares de quarks e antiquarks virtuais, ao ritmo de umas 10²³ vezes por segundo, o que ultrapassa largamente qualquer outro ritmo na natureza. Estes antiquarks são objectos com propriedades semelhantes às dos quarks. Quando um antiquark se junta a um quark, desaparecem os dois e fica apenas a energia equivalente à soma das duas massas.

No entanto, descobriu-se que existem partículas que se compõem de um quark e um antiquark, chamadas mesões. Os mesões têm geralmente tempos de vida extremamente curtos. Descobriu-se também nas últimas quatro décadas do século passado que existem outros tipos de quarks, aos quais se deram os nomes "strange", "charm", "bottom" e "top".

Núcleo do átomo de Hélio rodeado por dois electrões. O núcleo tem quatro nucleões que cada um consiste de três quarks.	Protões e neutrões são constituídos por três quarks. O protão consiste de up-up-down.	Os quarks apresentam-se em seis variedades, sabores no jargão dos peritos. Os números entre parênteses indicam a carga eléctrica de cada um dos sabores.

A teoria que descreve os quarks e as suas interacções, a chamada teoria das interacções fortes, é de uma tal complexidade que ainda não é possível fazer previsões com grande rigor sobre as propriedades de nomeadamente os mesões, embora haja no mundo milhares de cientistas a trabalhar neste assunto, que se enquadra na "Física das Partículas". Contudo, nos laboratórios e colaborações, que envolvem frequentemente centenas de pessoas, são descobertas cada vez mais novas partículas. Recentemente, até se descobriu uma partícula que possivelmente é composta de cinco quarks, o chamado "pentaquark".

Sem solução à vista para a teoria dos quarks, os físicos começaram a construir modelos que pudessem dar algumas pistas sobre as propriedades dos mesões e as outras partículas.

Na escuridão total não é possível ver objectos. No entanto, podemos observar os corpos que nos rodeiam utilizando os outros sentidos, nomeademente o ouvido, o olfacto e o tacto. Porém, para ver é preciso luz. Os objectos reflectem ou emitem a luz que é captada pelos nossos olhos e transformada num sinal que é passado ao cérebro.

O alvo reflecte ou transmite a luz, que a seguir é captada pelos nossos olhos.

Ao observar uma estrela cadente, pessoas com distintos níveis de sabedoria são capazes de chegar a conclusões diversas sobre a origem deste fenómeno. Ou seja, a interpretação de uma observação depende dos conhecimentos e da maneira de que estes conhecimentos foram digeridos por cada indivíduo. A capacidade de analisar um fenómeno adquire-se com a experiência e a experiência ganha-se fazendo, isto é, o lema "aprender é brincar", que caracteriza a curiosidade de um verdadeiro cientista.

A observação de partículas fundamentais realiza-se em laboratórios, através da análise de medições cujos resultados são tirados ao longo de uma experiência e armazenados em bases de dados.

A passagem de uma partícula "alfa", o núcleo de um átomo de Hélio, observa-se numa câmara de nevoeiro através dum traço de gotinhas de condensação. Para realizar tal experiência basta uma pequena amostra de um material radioactivo, uma caixa do tamanho de uma caixa de graxa para sapatos com uma tampa transparente e lá dentro um nevoeiro de dióxido de carbono. Contudo, para determinar a massa e a velocidade da partícula "alfa" é preciso equipamento bem mais sofisticado. Para criar e detectar outras partículas elementares são precisos aceleradores gigantescos e equipamento de topo de gama. Mas não só!

O laboratório do SLAC, o Centro do Acelerador Linear de Stanford (EUA).

Entre uma ideia luminosa inicial e a publicação do resultado experimental final podem hoje em dia decorrer várias décadas. Primeiro vem uma proposta que é analisada pela direcção do laboratório em relação à sua viabilidade e interesse para a comunidade científica. Depois é formada a equipa para construir os detectores e para mais tarde analisar os dados.

O detector da colaboração BABAR.

As partículas cujas propriedades queremos determinar têm muitas vezes tempos de vida extremamente curtos, de modo que elas não se deslocam o suficiente para serem observadas.

Decaimento.

As trajectórias das várias partículas que podiam resultar de um decaimento no centro do detector.

Nos laboratórios são isolados electrões e positrões e acelerados em direcções opostas dentro de um acelerador, até chegarem a velocidades próximas da velocidade da luz. Em seguida são encaminhados para o centro do detector, onde então colidem frontalmente os electrões com os positrões, em choques tremendos.

Os positrões são as antipartículas dos electrões. Por isso, eles aniquilam-se mutuamente, um processo que resulta numa "bola" de alta energia no centro do detector. No interior desta bola podem ser criados pares de um quark e um antiquark.

A figura mostra como, com a energia resultante de uma colisão frontal a grande velocidade entre um electrão e um positrão, é criado um par de um quark charm e um antiquark do mesmo sabor.

Da colisão frontal entre um electrão e um positrão surge um par quark-antiquark de sabor charm.

A formação de um par de mesões D.

Se em vez de um par quark-antiquark de sabor down é criado um par de sabor strange, obtêm-se dois mesões D_s com cargas eléctricas opostas. Esquematicamente escreve-se

Um par quark-antiquark a dançar.

Um modelo que possa prever uma massa correcta para o mesão D^*_sJ(2317)⁺ tem de tomar em consideração dois aspectos distintos das interacções entre os quarks e antiquarks.

Em primeiro lugar, precisa de ter em conta que o quark charm e o antiquark strange estão permanentemente confinados um ao outro, como aliás na maioria dos modelos. Limitando-nos a esta estratégia íamos obter uma massa à volta de 2,55 GeV para o mesão D^*_sJ(2317)⁺ no nosso modelo, um valor próximo daqueles obtidos noutros modelos.

Porém, além disso consideramos a constante criação e aniquilação de pares quark-antiquark, o que não acontece nos modelos da concorrência. Temos assim, por exemplo, os processos

Modelos em que são considerados estes dois aspectos das interacções entre os quarks e antiquarks, o confinamento e a permanente criação e aniquilação de pares quark-antiquark, chamam-se modelos unitarizados.

O processo de permanente criação e aniquilação de pares u+anti-u no interior do mesão D^*_sJ(2317)⁺ podia resultar na criação de dois mesões, um mesão D⁰ e um mesão K⁺, de acordo com

Os processos acima referidos seguem a regra de Zweig sobre troca de companheiros. Contudo, a regra de Zweig nem sempre é respeitada pela natureza. De vez em quando juntam-se, para formar um mesão, o quark e o antiquark do par criado no interior do mesão. Neste caso, o par c+anti-s do mesão D^*_sJ(2317)⁺ fica junto, mas, na turbulência da criação de um novo mesão ao seu lado, resolve dançar a um ritmo diferente, criando assim um outro mesão D_s. Deste modo, podem ser formados, por exemplo, um mesão D_s(1969)⁺ e um pião neutro, de acordo com

Como já referimos, o mesão D_s(1969)⁺ é o mesão mais leve dos mesões D_s. Portanto, o mesão D_s(1969)⁺ não pode decair de uma forma semelhante ao decaimento do mesão D^*_sJ(2317)⁺. Porém, existem outros processos, de natureza fraca, que ocorrem com muito menos frequência do que o processo forte de permanente criação e aniquilação de pares quark-antiquark. Num desses processos, o sistema c+anti-u do estado intermédio transforma-se num sistema s+anti-d, que a seguir decai num caão e um pião como

No total temos agora o seguinte processo de decaimento do mesão D^*_sJ(2317)⁺:

A descoberta do mesão D*sJ(2317)+ pela colaboração BABAR. As unidades na horizontal são Giga-electrãoVolts.

Referimos atrás processos diferentes que podem dar origem ao decaimento de um mesão, distintos pelo frequência com que ocorrem. No modelo unitarizado apenas incluímos os processos mais frequentes, isto é, os da criação e aniquilação de pares quark-antiquark respeitando a regra de Zweig.

A razão é que, embora todos estes processos tenham intensidades comparáveis, acontecimentos frequentes têm uma influência dominante nas propriedades de um sistema, enquanto mal se notam aqueles que raramente ocorrem. Como podem imaginar, a permanente troca de companheiros tem muito mais influência na dança efectuada pelos quarks do que o raro aparecimento e desaparecimento de um par que começa temporariamente a dançar ao lado.

A influência destes três processos deixa-se exprimir na contribuição à massa do mesão. O mais frequente pode contribuir até algumas centenas de MeVs, o que é mil ou mais vezes superior às contribuições dos outros dois processos. Consequentemente, para não complicar o modelo desnecessariamente, contentamo-nos com os processos mais importantes. Além disso, os processos dominantes podem dar origem a alterações nos espectros dos mesões pelo efeito da duplicação de estados.

Modelos unitarizados, isto é, modelos que incluem o aspecto da permanente criação e aniquilação de pares quark-antiquark, prevêem a duplicação de mesões.

A importância da inclusão deste segundo aspecto das interacções fortes num modelo para descrever o espectro e as propriedades dos mesões demonstrámos, pela primeira vez, para a classe dos mesões escalares leves, que são compostos por quarks e antiquarks dos sabores up, down e/ou strange.
Para este tipo de mesões o modelo unitarizado previu, já há duas décadas, nove mesões adicionais. Nove, porque existem nove possibilidades de combinar os três sabores envolvidos. Estes nove mesões agrupam-se em quatro conjuntos distintos pela sua massa. Em concreto, há um mesão sigma com uma massa à volta de 450 MeV, quatro mesões kappa com massas à volta de 800 MeV, três mesões a₀(980) com massas de 985 MeV e um mesão f₀(980) com uma massa de 980 MeV.

Os mesões a₀(980) e f₀(980) já tinham sido descobertos há mais de três décadas. No entanto, ainda hoje em dia não é consensual a questão da sua classificação dentro da família dos mesões escalares, embora no modelo unitarizado não haja qualquer dúvida a esse respeito.

A pertinente explicação teórica do modelo unitarizado para a existência de uma ressonância correspondente ao mesão sigma, com exactamente as propriedades verificadas experimentalmente, deu um grande contributo para a aceitação, pela comunidade científica, deste mesão, que finalmente, após mais de trinta anos de controvérsia, tem um lugar firme nas tabelas de mesões. No entanto, ainda não há nenhum consenso quanto à sua classificação no seio da família dos mesões escalares.

A descoberta do mesão kappa, há dois anos, pela colaboração E791 do Fermilab (Batávia, EUA), resolveu a aceitação de também esta partícula pela comunidade científica, mesão esse que já tinha sido previsto pelo nosso modelo unitarizado há duas décadas. Mesmo assim, apenas para este ano se prevê, graças à grande pressão dos presentes autores, a inclusão do mesão kappa na tabela dos mesões escalares.

Finalmente, a muito recente descoberta do mesão D^*_sJ(2317)⁺, que dentro do modelo unitarizado tem exactamente a mesma explicação que os nove mesões escalares leves, acelerou o processo de credibilização deste modelo.