Pesquisador da USP determina valor da constante de acoplamento forte

Com informações da Agência Fapesp - 07/03/2016

Esquema do decaimento do lépton tau, que decai em um neutrino e em um bóson W (em azul). Os quarks são produzidos pelo W e interagem fortemente (bolha rosa), formando os hádrons que são detectados (pions e káons). O processo possibilita determinar um valor para a constante de acoplamento forte.
[Imagem: Diogo Boito]

Constante de acoplamento forte

A constante de acoplamento forte, que conecta quarks e glúons, dando origem a hádrons, como os prótons e os nêutrons, é um dos parâmetros fundamentais da física.

Seu valor, determinado pela equipe do professor Diogo Boito, da Universidade de São Paulo (USP), acaba de ser acolhido pelo PDG (Particle Data Group), a rede internacional que estabelece as medidas de várias grandezas físicas.

"A interação entre quarks e glúons é descrita pela Cromodinâmica Quântica (ou QCD, sigla de Quantum Cromodynamics). E, nessa teoria, a constante de acoplamento forte, α_s (alpha_s), desempenha papel fundamental. Mas, como essa constante não pode ser medida diretamente, vários grupos de pesquisadores procuram determiná-la de modo indireto, confrontando as predições teóricas com diferentes dados experimentais. Nosso valor foi obtido por meio do decaimento do lépton tau," explicou Boito.

Interação forte

A interação forte é a mais poderosa força conhecida. Em uma situação típica, essa interação chega a ser centenas de vezes maior do que a da interação eletromagnética e até 10¹¹ vezes maior que a interação fraca e 10³⁹ vezes maior que a interação gravitacional.

Por isso, os quarks e os glúons ficam confinados nos volumes diminutos dos hádrons (da ordem de 10^-13 centímetros), e não podem ser encontrados livremente na natureza. "Esse confinamento é um dos fatores que tornam tão difícil a determinação da constante de acoplamento forte", explicou Boito.

O recurso utilizado pela equipe foi trabalhar com dados obtidos no decaimento do lépton tau (Τ). Essa partícula é da mesma natureza do elétron, porém possui massa aproximadamente 3.500 vezes maior. Ela é produzida nos grandes aceleradores de partículas, por exemplo pela colisão de elétron e antielétron, e dura, em média, apenas 2,9x10^-13 segundo. Ao decair, o tau produz várias partículas de massa menor. Em um dos decaimentos possíveis são produzidos, entre outras partículas, o quark para cima (up) e o quark para baixo (down), que interagem fortemente.

Foi esse tipo de decaimento que possibilitou determinar, indiretamente, um valor para α_s.

Liberdade assintótica

Um aspecto singular dessa determinação decorreu do fato de a massa do tau ser relativamente baixa. Isso fez com que fosse possível verificar uma previsão teórica conhecida como "liberdade assintótica", que deu o Prêmio Nobel de Física de 2004 a David Gross, David Politzer e Frank Wilczek.

Segundo essa previsão, o valor de alpha_s é menor em energias mais altas e maior em energias mais baixas - ou seja, o valor não é propriamente constante. "Nossa determinação contribui para corroborar essa previsão na região de energias baixas," afirmou o pesquisador.

Como a determinação pode ser feita também de outras maneiras, valores ligeiramente diferentes são obtidos por diversos grupos de pesquisa. As determinações são avaliadas pelos especialistas do PDG e, quando consideradas consistentes, seus valores são incorporados ao rol acolhido pela colaboração internacional. A partir desse rol, o PDG publica um valor médio internacional, que serve de referência para todos os pesquisadores da área e que é atualizado a cada dois anos.

A constante de acoplamento forte é um número puro, adimensional. O último valor médio, publicado em fevereiro de 2016, que agrega o resultado de Boito e colaboradores, foi de 0,1181 ± 0,0013.

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