Measurements of the branching fractions of \boldmath $χ_{cJ}\toΣ^0\barΣ^0η$

Nas profundezas do tecido do universo, a matéria é mantida unida por uma força tão poderosa que vincula os próprios núcleos dos átomos. Esta força, conhecida como interação forte, é regida por um conjunto de regras chamadas cromodinâmica quântica. Embora os cientistas tenham dominado a matemática desta força em altas energias, o reino de baixa energia permanece uma paisagem nebulosa de mistérios. Aqui, as partículas não se comportam como simples bolas de bilhar; elas giram e interagem de formas complexas que são difíceis de prever. Para mapear este território oculto, os físicos frequentemente utilizam partículas especiais de vida curta chamadas estados de charmonium. Estes são como minúsculos e pesados laboratórios criados em aceleradores de partículas, onde um quark charm e seu parceiro de antimatéria, o antiquark charm, orbitam um ao outro. Quando estes pares decaem, eles se quebram em outras partículas, oferecendo um vislumbre das regras que governam sua desintegração. Ao estudar exatamente como esses pares pesados se desfazem, os pesquisadores podem testar os limites de sua compreensão atual e procurar rachaduras na teoria que possam apontar para uma nova física.

Um pesquisador utilizando o detector BESIII no colisor BEPCII em Pequim iluminou recentemente um canto anteriormente escuro desta paisagem. Ele analisou uma coleção massiva de dados contendo mais de 2,7 bilhões de colisões de elétrons e pósitrons. Deste vasto conjunto de dados, ele focou em um tipo específico de partícula pesada conhecido como chi-c, que vem em três variedades ligeiramente diferentes distinguidas pelo seu spin. O pesquisador estava procurando por um evento específico e raro: o momento em que uma dessas partículas chi-c decai em um trio de outras partículas — um bárion sigma neutro, seu gêmeo de antimatéria e um méson eta neutro. Até agora, este decaimento específico nunca havia sido visto, seja em experimentos ou em cálculos teóricos. O pesquisador reconstruiu estes eventos rastreando os detritos deixados para trás, especificamente procurando por um padrão de assinatura de prótons, antiprótons, píons e cinco fótons que confirmariam a presença das partículas desejadas.

Após filtrar os bilhões de colisões, o pesquisador relatou as primeiras observações deste decaimento para todas as três variedades da partícula chi-c, com significâncias estatísticas de 7,2σ, 5,7σ e 6,7σ, respectivamente. Embora estes resultados sejam fortes o suficiente para reivindicar as primeiras observações, o pesquisador observou que a evidência para um canal (5,7σ) está ligeiramente abaixo do limiar típico de 6σ frequentemente usado para observações definitivas em alguns contextos. Ele mediu a frequência com que este decaimento ocorre em relação ao número total de partículas chi-c produzidas, determinando a probabilidade, ou fração de ramificação, para cada caso. Para a primeira variedade, o decaimento acontece aproximadamente 9,7 vezes a cada 100.000 partículas chi-c. Para a segunda variedade, ocorre cerca de 4,9 vezes a cada 100.000, e para a terceira, cerca de 6,1 vezes a cada 100.000. Estes números fornecem os primeiros pontos de dados concretos para esta interação específica, permitindo que os físicos comparem como os diferentes estados de spin da partícula mãe influenciam o resultado.

O pesquisador também examinou o arranjo das partículas conforme elas se afastavam para ver se estavam formando quaisquer estruturas intermediárias temporárias, como um novo tipo de partícula excitada. Ele observou de perto as combinações de massa das partículas no grupo final, procurando por quaisquer aglomerados ou ressonâncias inesperadas que sinalizariam um novo estado da matéria. Os dados não mostraram estruturas significativas nas distribuições de massa dos pares de partículas sob as estatísticas atuais; as partículas parecem emergir diretamente do decaimento sem formar etapas intermediárias. Esta ausência de novas estruturas é tão importante quanto a descoberta do próprio decaimento, pois descarta certos modelos teóricos que previam que tais estados intermediários existiriam. Além disso, ao comparar estes resultados com medições anteriores de decaimentos semelhantes envolvendo partículas carregadas, o pesquisador descobriu que as taxas correspondiam às expectativas baseadas na simetria da natureza conhecida como isospin. Isso sugere que a força forte trata estas diferentes combinações de partículas com uma mão consistente, reforçando o modelo padrão da física de partículas.

As descobertas também oferecem uma pista sutil sobre a mecânica interna destes decaimentos. Quando o pesquisador comparou a força do decaimento para as diferentes variedades de spin, notou que a primeira variedade comportou-se de forma diferente das outras duas. Esta diferença de comportamento sugere que a primeira variedade pode estar se misturando com outro tipo de partícula mais exótica prevista pela teoria, ou que decai através de um mecanismo único. Embora os dados não confirmem exatamente o que está acontecendo, eles fornecem uma nova peça crucial do quebra-cabeça. A descoberta destes decaimentos, juntamente com as medições precisas de suas taxas, dá aos teóricos um novo parâmetro para testar seus modelos. Confirma que a força forte opera de uma maneira que permite que estas combinações específicas se formem, enquanto simultaneamente estreita a busca pelas razões mais profundas por trás das diferenças na forma como estas partículas se quebram. À medida que o campo avança, estas medições servirão como uma base para futuros experimentos que visam desvendar os mistérios restantes da interação forte.