Colisão no LHC reforça quarks como partículas elementares sem estrutura interna

O detector CMS, no Grande Colisor de Hádrons do CERN, analisou colisões de prótons e não encontrou indícios de estrutura interna nos quarks. A pesquisa usou dados da segunda fase de operação do LHC e testou escalas até 10⁻²⁰ metros. Os resultados reforçam o modelo atual da física de partículas.

Os quarks formam prótons e nêutrons, que por sua vez compõem a matéria comum. A teoria os descreve como partículas pontuais, sem partes menores. Experimentos anteriores já confirmaram essa visão, mas a busca por camadas mais profundas continua. O novo estudo avança o limite de observação.

Rutherford guiou método atual de investigação

O experimento segue o princípio usado por Ernest Rutherford em 1911. Ele bombardeou uma folha de ouro com partículas alfa e observou ângulos de dispersão. A maioria atravessava direto, mas algumas ricocheteavam. Isso revelou o núcleo atômico concentrado no centro.

No LHC, colisões de prótons rompem esses prótons em quarks. Os quarks saem como jatos de partículas. O CMS mede a distribuição de ângulos entre esses jatos. Se os quarks tivessem estrutura interna, a forma dos jatos mudaria em certas energias. Os dados coletados não mostram esse desvio significativo.

A equipe examinou mais de um milhão de eventos. As distribuições de ângulos batem com as previsões do Modelo Padrão para partículas pontuais. Pequenas diferenças aparecem em faixas de massa altas, mas ficam dentro das incertezas estatísticas e sistemáticas.

Análise usa 138 fb⁻¹ de dados a 13 TeV

O estudo baseia-se em colisões a 13 teraelétrons-volt. A luminosidade integrada chega a 138 fb⁻¹. Os pesquisadores corrigiram efeitos do detector e compararam com cálculos de QCD perturbativa em ordem NNLO, mais correções eletrofracas NLO.

• Distribuições angulares normalizadas em várias faixas de massa de di-jatos
• Comparação direta com cenários de quarks compostos
• Limites em interações de contato entre quarks
• Restrições a dimensões extras, buracos negros quânticos e mediadores de matéria escura

Os limites mais rigorosos até agora excluem quarks compostos acima de certas escalas de energia. No modelo de referência com quarks de mão esquerda, o limite chega a 37 TeV para interferência construtiva.

Quarks seguem como blocos fundamentais

A física já passou por várias revoluções. Átomos eram indivisíveis até a descoberta do núcleo. Prótons e nêutrons pareciam elementares até a confirmação dos quarks em 1968 no SLAC. Agora, o CMS empurra o teste para distâncias mil vezes menores que o tamanho do próton.

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Mesmo sem sinal de subestrutura, os cientistas não descartam possibilidades em escalas ainda menores. O experimento atual limita estruturas maiores que 10⁻²⁰ m. Isso equivale a cerca de um centésimo de milésimo do diâmetro de um próton.

O resultado também restringe outros fenômenos além do Modelo Padrão. Acoplamentos anômalos de glúons, partículas tipo áxion e mediadores de matéria escura recebem limites mais apertados. A análise cobre vários modelos teóricos em uma única publicação.

Futuro do LHC trará mais precisão

A terceira fase de operação do LHC já coleta novos dados. A atualização HiLumi LHC, prevista para 2030, aumentará drasticamente a taxa de colisões. Com mais estatística, os pesquisadores reduzirão incertezas na medida do ângulo de espalhamento.

Medições mais precisas podem revelar desvios sutis ou confirmar ainda mais o comportamento pontual dos quarks. O CMS planeja continuar a busca por sinais de nova física em distribuições de jatos.

A matéria comum ao nosso redor depende dessas partículas. Qualquer descoberta sobre sua composição afetaria a compreensão do universo, incluindo questões como matéria escura e unificação de forças. Por enquanto, os quarks mantêm sua posição como partículas elementares.

Os cientistas destacam que a ausência de evidência não prova ausência definitiva. Experimentos futuros com energias maiores ou técnicas diferentes podem explorar distâncias ainda menores. O LHC permanece a principal ferramenta para essa fronteira.