Measurement of $e^{+} e^{-}\to p\bar{p}$ around $\psi(2S)$ with scan method

No coração da matéria, onde prótons e nêutrons são construídos a partir de partículas ainda menores chamadas quarks, existe um conjunto de regras que governa como essas peças minúsculas se unem e se separam. Essas regras são descritas por uma teoria chamada Cromodinâmica Quântica, que atua como o manual de instruções para a força forte, a cola mais poderosa do universo. Embora esta teoria funcione perfeitamente para algumas situações, ela se torna incrivelmente difícil de resolver quando as partículas se movem lentamente ou interagem de formas complexas. Físicos há muito tempo estão fascinados por uma família específica de partículas chamada charmonium, que são feitas de um quark charm pesado e seu gêmeo de antimatéria. Estas partículas são pesadas o suficiente para serem estudadas com alta precisidade, mas leves o suficiente para que as regras complexas e desordenadas da força forte ainda dominem seu comportamento. Ao observar como essas partículas são criadas e como elas decaem em outras partículas, os cientistas esperam desvendar a mecânica oculta da força forte e ver como ela compete com a força eletromagnética, a mesma força que faz os ímãs grudarem e o raio cair.

Um estudo recente da Colaboração BESIII lançou um novo olhar sobre uma dessas partículas de charmonium, conhecida como psi-2S. Esta partícula é uma versão ligeiramente mais pesada da famosa partícula J/psi e é instável, o que significa que ela se decompõe rapidamente em outras partículas. Os pesquisadores estavam particularmente interessados no que acontece quando a psi-2S decai em um próton e um antipróton. No mundo da física de partículas, este decaimento pode ocorrer de duas maneiras diferentes ao mesmo tempo: ou através da força forte, que envolve a troca de glúons, ou através da força eletromagnética, que envolve um fóton virtual. Como ambos os processos podem ocorrer simultaneamente, eles interferem entre si, de forma muito semelhante a duas ondulações em um lago que se encontram para criar um novo padrão. A chave para entender essa interação reside na medição do tempo relativo, ou fase, entre essas duas forças. Se o tempo estiver desalinhado, as forças podem se cancelar mutuamente; se estiverem alinhadas, podem potencializar o resultado. Determinar esse tempo é crucial porque ajuda os físicos a entender se as forças forte e eletromagnética se comportam de uma maneira previsível e universal ou se existem surpresas escondidas nos detalhes.

Para resolver este enigma, a equipe não dependeu de um único instantâneo de dados. Em vez disso, realizaram uma varredura cuidadosa, coletando dados em nove níveis de energia ligeiramente diferentes em torno da massa da partícula psi-2S. Este método permitiu mapear a forma exata da ressonância, que é o pico nos dados que marca a presença da partícula. Ao analisar como o número de pares próton-antipróton mudava conforme passavam por esses níveis de energia, os pesquisadores puderam separar as contribuições da força forte, da força eletromagnética e de um processo de fundo que acontece mesmo sem a ressonância. Eles usaram o detector BESIII, um instrumento massivo localizado no Colisor Elétron-Pósitron de Pequim, para registrar as colisões. O detector atua como uma câmera gigante de alta velocidade que rastreia os caminhos das partículas carregadas e mede sua energia, permitindo que a equipe identifique os eventos específicos onde um próton e um antiproton foram criados.

Após reunir um total de 495 picobarns inversos de dados, a equipe aplicou critérios rigorosos para garantir que estivessem observando os eventos corretos. Eles filtraram raios cósmicos e outros ruídos de fundo, focando apenas em pares de partículas que correspondiam ao comportamento esperado de um próton e um antiproton. A análise revelou um sinal claro, com o número de eventos detectados subindo e descendo em um padrão que correspondia às previsões teóricas para a ressonância psi-2S. Os pesquisadores então usaram um modelo matemático sofisticado para ajustar a forma desses dados, extraindo os valores dos parâmetros físicos subjacentes. Eles descobriram que a fase relativa entre as amplitudes forte e eletromagnética não é zero ou cento e oitenta graus, como algumas teorias simples poderiam sugerir, mas sim situa-se em um valor de aproximadamente cento e seis graus ou menos cento e cinco graus. Essas duas soluções representam duas maneiras diferentes de a matemática funcionar, mas ambas apontam para a mesma realidade física: as duas forças são quase perpendiculares entre si em seu tempo.

Com esta medição de fase em mãos, a equipe calculou a probabilidade, ou fração de ramificação, da psi-2S decair em um próton e um antiproton. Eles descobriram que esta probabilidade é de aproximadamente três vírgula vinte e um vezes dez à quarta potência, ou três vírgula quarenta e sete vezes dez à quarta potência, dependendo de qual das duas soluções matemáticas é escolhida. Estes resultados são ligeiramente superiores a medições anteriores, mas permanecem consistentes dentro da margem de erro. O estudo também forneceu uma nova e precisa medição do fator de forma efetivo, uma quantidade que descreve a estrutura interna do próton conforme vista pelas partículas colidentes. Os resultados mostraram uma curva suave que se alinha bem com descobertas anteriores de outros experimentos, preenchendo uma lacuna nos dados em torno da região de energia da psi-2S.

A significância destas descobertas reside na sua capacidade de testar os limites do nosso entendimento atual. O fato de a fase não ser zero sugere que a ideia simples de que as forças forte e eletromagnética estão perfeitamente em sincronia ou perfeitamente fora de sincronia é incorreta. Em vez disso, os dados apoiam uma imagem mais complexa onde estas forças interagem de uma forma que é universal através de diferentes tipos de decaimentos de partículas. Embora a razão exata para este ângulo específico permaneça um mistério para os físicos teóricos explicarem, a medição experimental fornece uma âncora sólida para futuras teorias. Ao confirmar que a interferência entre estas forças segue um padrão previsível, o estudo ajuda a refinar os modelos que descrevem como a matéria é construída do zero. O trabalho é um testemunho do poder da medição de precisão, mostrando como a varredura cuidadosa do cenário de energia pode revelar os ritmos sutis e ocultos do mundo subatômico.