Sobre um 3o Quark da 1a família

Créditos: Prof. César Bernardes (IF-UFRGS)

O chamado “modelo padrão” enquadra todas as partículas conhecidas e consideradas elementares em três famílias: quarks, léptons e bósons. A família dos quarks possui seis integrantes (up, down, charm, strange, top e bottom). A família dos léptons também possui seis integrantes (elétron e neutrino do elétron, múon e neutrino do múon, tau e neutrino do tau). A família dos bósons possui quatro integrantes que medeiam as relações entre as outras partículas (fóton, glúon, Z e W) e mais o bóson de Higgs (H), que supostamente explica o fato de as partículas elementares possuírem massa.

Essa divisão pode sugerir a ideia de que os integrantes das diferentes famílias não se misturam, por assim dizer. Mas não é isso que acontece. Nas colisões, o que ocorre são reconfigurações da energia, que podem transformar quarks em léptons e léptons em quarks, com os bósons entrando nas contas. É a isso que Boito se refere quando fala do decaimento do tau, o lépton mais pesado, formando hádrons, constituídos por quarks; e na produção de hádrons devido à colisão de dois léptons leves, o elétron com sua antipartícula.

Se pensamos nos procedimentos de como estudamos algumas propriedades desses quarks, por exemplo, através de experiências utilizando o espalhamento inelástico profundo [1], onde partículas como elétrons/pósitrons/múons são aceleradas a altas energias e postas a colidir com alvos de matéria, interagindo efetivamente com os constituintes dos hádrons, a detecção de “d2” poderia ser inviável experimentalmente dependendo da proximidade com a massa do quark down, dado que a carga elétrica é a mesma.

Uma outra forma de se pensar: ao postular um terceiro quark com essas propriedades (supondo similares às do quark down do MP), seria esperado um espectro hadrônico bem maior. Pois todos os hádrons constituídos de quarks down teriam “parceiros” muito parecidos (além dos já conhecidos, como estados excitados de maior momento angular total e/ou spin). O valor das massas de alguns desses hádrons são conhecidas com bastante precisão, por exemplo, as massas dos mésons píons carregados e neutros (que possuem como um dos constituintes o quark down) são respectivamente: (139.57039 +- 0.00018) MeV e (134.9768 +- 0.0005) MeV [2]. Massas do próton e nêutron, (938.272081 +- 0.000006) MeV e (939.565413 +- 0.000006) MeV [2]. Em geral, a maior parte da massa dos hádrons é devido à interação entre seus componentes, mas dependendo de quão discrepantes forem as massas de “d” e “d2”, seria possível perceber a diferença. Lembrando que a medida atual da massa do quark down é (4.67^{+0.48}_{-0.17} MeV) [2] . E de fato, hoje, apenas com os quarks do MP, podemos explicar todos esses hádrons observados.

[1]

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.23.930

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.23.935

[2]

https://pdg.lbl.gov/

https://pdg.lbl.gov/2021/tables/rpp2021-sum-mesons.pdf

https://pdg.lbl.gov/2021/tables/rpp2021-sum-baryons.pdf

https://pdg.lbl.gov/2021/listings/rpp2021-list-light-quarks.pdf

Tirinha do dia 

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Kleber Bastos

Prof. IFAM/CMC

Colaborador: GEDEP-fis / GIRPEN

Instagram: @fisikanarede