Em busca do menor tomo com interao eletromagntica pura

Nanotecnologia

Redação do Site Inovação Tecnológica – 14/05/2024

tomos de matria e antimatria

O tomo de hidrognio j foi considerado o tomo mais simples da natureza, composto por um eltron (sem estrutura) e um prton estruturado.

No entanto, embora muito menos conhecido, existe um tipo ainda mais simples de tomo, formado por eltrons sem estrutura (e^–), mons (μ^–) ou tauons (τ^–) e suas antipartculas igualmente sem estrutura. Esses tomos hbridos de matria e antimatria so unidos apenas por interaes eletromagnticas.

Tambm conhecidos como tomos QED (sigla em ingls de eletrodinmica quntica), suas estruturas mais simples do que a dos tomos de hidrognio proporcionam perspectivas diferenciadas para se estudar problemas como mecnica quntica, simetria fundamental e at a fora da gravidade.

At o momento, apenas dois tomos com interaes eletromagnticas puras foram observados: O positrnio, um estado ligado eltron-psitron descoberto em 1951, e o munio, um estado ligado eltron-antimon, descoberto em 1960.

O positrnio formado pelo eltron e sua antipartcula, o psitron, enquanto o munio formado pelo eltron e a antipartcula do mon. Nos dois casos a parte de matria e de antimatria so unidas apenas pela fora eletromagntica. O positrnio altamente instvel, j que o eltron e sua antimatria se aniquilam rapidamente. O munio um pouquinho mais duradouro, j que o mon mais pesado do que o eltron.

Nos ltimos 64 anos, no houve outros sinais desses tomos com interaes eletromagnticas puras, embora existam algumas propostas para procur-los em raios csmicos ou em aceleradores de alta energia.

Isto agora pode estar prestes a mudar.

Ilustrao da partcula fundamental tau e sua antipartcula, que podem se unir em um tomo elusivo conhecido como taunio.
[Imagem: Gerado por IA/DALL-E]

Taunio

Um dos candidatos mais procurados nesse reino de tomos hbridos conhecido como taunio, que deve ser composto de uma partcula tau (ou tuon) e sua antipartcula, o antituon. Ele interessante porque tem um raio de Bohr (o raio da rbita do eltron no estado fundamental do tomo de hidrognio, de acordo com o modelo atmico de Bohr) de apenas 30,4 femtmetros (1 femtmetro = 10^-15 metro), o que aproximadamente 1/1741 do raio de Bohr de um tomo de hidrognio.

Isto significa que o taunio permitir testar os princpios fundamentais da mecnica quntica e da eletrodinmica quntica em escalas muito menores do que possvel hoje, fornecendo uma ferramenta para explorar os mistrios dos reinos atmico e subatmico.

Uma equipe de fsicos de vrias universidades chinesas vislumbrou agora uma nova abordagem para que finalmente possamos observar o taunio experimentalmente.

Os clculos da equipe mostram que, se coletarmos dados perto do limite de produo de pares de partculas tau em um colisor de eltrons e psitrons, e selecionarmos eventos de sinal contendo partculas carregadas acompanhadas por neutrinos no detectados que transportam energia, a significncia da observao do taunio exceder cinco sigmas, que o indicador que os fsicos usam para dar a uma observao a categoria de “descoberta” – ou seja, mostrando uma evidncia experimental da existncia do taunio.

Esquema conceitual do detector para a Fbrica Charme-Tau, em Novosibirsk, na Rssia.
[Imagem: Barnyakov et al. – 10.1088/1742-6596/1561/1/012004]

Experimentos

Outra concluso interessante que, usando os mesmos dados, a preciso da medio da massa do tau pode ser melhorada para um nvel sem precedentes de 1 keV, duas ordens de magnitude superior maior preciso alcanada pelos experimentos atuais. Apenas isto no s contribuir para o teste preciso da teoria eletrofraca no Modelo Padro, mas tambm ter implicaes importantes para questes fundamentais da fsica, como a universalidade do sabor do lpton.

Este trabalho importante porque h pelo menos dois colisores sendo projetados, que podero executar as medies propostas: O STCF (sigla em ingls para Instalao Tau-Charme), na China, e o SCTF (sigla em ingls para Fbrica Charme-Tau), na Rssia.

Ambos tm entre seus objetivos trabalhar perto do limite do par tuon, medindo a massa do tau com alta preciso e, eventualmente, flagrando o menor e mais pesado tomo com interaes eletromagnticas puras. Esses resultados, se realmente alcanados, nos daro uma compreenso mais profunda sobre a matria, a antimatria e suas interaes.

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