Os físicos norte-americanos Murray Gell-Mann e George Zweig propuseram em 1964, de forma independente um do outro, a existência de partículas elementares que hoje conhecemos por quarks. Assim, os protões e os neutrões, por exemplo, eram compostos por três dessas partículas mais pequenas. O modelo teórico sobre os quarks também previa a existência de pentaquarks, formados por quatro quarks e um antiquark, o seu equivalente de antimatéria. Mas durante mais de 50 anos o pentaquark manteve-se como uma ideia sem confirmação experimental – até que esta terça-feira o Laboratório Europeu de Física de Partículas (CERN) anunciou ter observado esta partícula nas experiências efectuadas no Large Hadron Collider (LHC), como se chama o seu grande acelerador de partículas.

“O pentaquark não é uma partícula qualquer. Representa uma forma de agregar os quarks, nomeadamente os constituintes dos vulgares protões e neutrões, num padrão que nunca tinha sido antes observado em mais de 50 anos de experiências”, diz, em comunicado de imprensa do CERN, o porta-voz das experiências realizadas num dos quatro grandes detectores de partículas espalhados ao longo do LHC, o LHCb. “O estudo das suas propriedades poderá permitir-nos compreender melhor como é constituída a matéria vulgar, os protões e os neutrões, de que todos somos feitos.”

A descoberta foi submetida para publicação na revista Physical Review Letters. Já houve diversas experiências à procura dos pentaquarks, mas os seus resultados acabaram por se revelar inconclusivos, refere ainda o comunicado. “Há toda uma história com os pentaquarks e é por essa razão que fomos muito cuidadosos na apresentação deste artigo”, comenta à BBC online Patrick Koppenburg, coordenador da investigação física no detector LHCb. “A palavra ‘pentaquark’ parece quase amaldiçoada, porque há muitas descobertas que foram ultrapassadas por novos resultados que mostravam que os anteriores eram, na realidade, flutuações e não sinais reais.”

Agora as experiências no LHC, a maior máquina de colisão de partículas do mundo, localizada num túnel subterrâneo circular, com 27 quilómetros de perímetro, na fronteira franco-suíça, perto de Genebra, terão permitido finalmente a detecção do pentaquark. O que se faz no LHC?

Ao longo do túnel, aceleram-se dois feixes de partículas (protões), que viajam quase à velocidade da luz e, pelo caminho, guiados por campos magnéticos, são forçados a manterem-se na trajectória pretendida. Estes feixes viajam em sentido contrário e, em certos locais, as partículas colidem e espera-se que, nos estilhaços desses embates, se encontrem novas partículas que permitam aprofundar o conhecimento sobre a matéria.

O LHC fez as primeiras colisões em 2008, depois em 2012 permitiu a detecção do famoso bosão de Higgs, uma partícula elementar que confere massa às outras partículas e cuja existência também foi prevista teoricamente em 1964 (pelo britânico Peter Higgs, por um lado, e pelos belgas François Englert e Robert Brout, por outro). Nos últimos dois anos, o LHC esteve parado para manutenções e aperfeiçoamentos, tendo retomado as experiências em Junho último. E agora foi a vez de anunciar a detecção dos pentaquarks.

“A experiência do LHCb é diferente das outras [para detectar os pentaquarks] por ter sido capaz de olhar para os pentaquarks de muitas perspectivas, com todas a apontar para a mesma conclusão. Nas anteriores buscas era como se se estivesse a olhar para uma silhueta no escuro, enquanto o LHCb fez a procura com as luzes acesas e em todos o ângulos”, sublinha o comunicado de imprensa. “O próximo passo será o estudo de como os quarks estão ligados dentro dos pentaquarks.”

Quarks ou ases
Para procurar os pentaquarks, os investigadores olharam para a transformação (ou decaimento, nas suas palavras) de uma partícula chamada lambda b em três outras partículas. Verificaram que, por vezes, a criação de duas destas partículas formadas a partir do lambda b passavam por estados intermédios. “Tirando partido de um grande conjunto de dados fornecidos pelo LHC, e da excelente precisão do nosso detector, examinámos todas as possibilidades para a existência destes sinais e concluímos que só podem ser explicados por estados de pentaquark”, diz o físico Tomasz Skwarnicki, da Universidade de Syracuse (nos Estados Unidos) e que está envolvido nas experiências do LHCb. “Mais precisamente, esses estados devem de ser formados por dois quarks up, um quark down, um quark charm e um antiquark charm”, acrescenta em relação aos tipos de quarks e antiquarks que poderão estar na constituição do pentaquark.

Os cientistas põem duas hipóteses para a ligação dos quarks no pentaquark, como se depreende da explicação de outro físico também participante nas experiências do LHCb, Liming Zhang, da Universidade de Tsinghua, em Pequim, citado no comunicado. A ligação entre os cinco quarks pode ser bastante forte ou ser mais solta, neste último caso numa espécie de molécula formada por um mesão (partícula com um quark e um antiquark) e por um barião (partícula formada por três quarks, como os protões e os neutrões). E em que “o mesão e o barião sentem uma força forte residual, semelhante àquela que liga os protões e os neutrões que formam o núcleo”, diz Liming Zhang.

A palavra “quark” para designar estas partículas elementares foi inventada por Murray Gell-Mann (Nobel da Física em 1969), enquanto George Zweig avançou com a designação “ases”, inspirado no facto de um baralho de cartas ser composto por vários ases, tal como os protões e neutrões têm dentro várias dessas partículas elementares. Mas o que vingaria seria a designação quark.

O regresso do LHC às experiências, agora com uma energia sem precedentes de 13 teraelectrões-volt (TeV), quase com o dobro da que tinha atingido antes do encerramento no início de 2013, poderá ajudar a revelar os mistérios dos pentaquarks.