Tauônio: Em busca do menor átomo com interação eletromagnética pura

Redação do Site Inovação Tecnológica - 14/05/2024

Tauônio: O menor e mais pesado átomo unido puramente por interação eletromagnética.
[Imagem: Jing-Hang Fu et al. - 10.1016/j.scib.2024.04.003]

Átomos de matéria e antimatéria

O átomo de hidrogênio já foi considerado o átomo mais simples da natureza, composto por um elétron (sem estrutura) e um próton estruturado.

No entanto, embora muito menos conhecido, existe um tipo ainda mais simples de átomo, formado por elétrons sem estrutura (e^-), múons (μ^-) ou tauons (τ^-) e suas antipartículas igualmente sem estrutura. Esses átomos híbridos de matéria e antimatéria são unidos apenas por interações eletromagnéticas.

Também conhecidos como átomos QED (sigla em inglês de eletrodinâmica quântica), suas estruturas mais simples do que a dos átomos de hidrogênio proporcionam perspectivas diferenciadas para se estudar problemas como mecânica quântica, simetria fundamental e até a força da gravidade.

Até o momento, apenas dois átomos com interações eletromagnéticas puras foram observados: O positrônio, um estado ligado elétron-pósitron descoberto em 1951, e o muônio, um estado ligado elétron-antimúon, descoberto em 1960.

O positrônio é formado pelo elétron e sua antipartícula, o pósitron, enquanto o muônio é formado pelo elétron e a antipartícula do múon. Nos dois casos a parte de matéria e de antimatéria são unidas apenas pela força eletromagnética. O positrônio é altamente instável, já que o elétron e sua antimatéria se aniquilam rapidamente. O muônio é um pouquinho mais duradouro, já que o múon é mais pesado do que o elétron.

Nos últimos 64 anos, não houve outros sinais desses átomos com interações eletromagnéticas puras, embora existam algumas propostas para procurá-los em raios cósmicos ou em aceleradores de alta energia.

Isto agora pode estar prestes a mudar.

Ilustração da partícula fundamental tau e sua antipartícula, que podem se unir em um átomo elusivo conhecido como tauônio.
[Imagem: Gerado por IA/DALL-E]

Tauônio

Um dos candidatos mais procurados nesse reino de átomos híbridos é conhecido como tauônio, que deve ser composto de uma partícula tau (ou táuon) e sua antipartícula, o antitáuon. Ele é interessante porque tem um raio de Bohr (o raio da órbita do elétron no estado fundamental do átomo de hidrogênio, de acordo com o modelo atômico de Bohr) de apenas 30,4 femtômetros (1 femtômetro = 10^-15 metro), o que é aproximadamente 1/1741 do raio de Bohr de um átomo de hidrogênio.

Isto significa que o tauônio permitirá testar os princípios fundamentais da mecânica quântica e da eletrodinâmica quântica em escalas muito menores do que é possível hoje, fornecendo uma ferramenta para explorar os mistérios dos reinos atômico e subatômico.

Uma equipe de físicos de várias universidades chinesas vislumbrou agora uma nova abordagem para que finalmente possamos observar o tauônio experimentalmente.

Os cálculos da equipe mostram que, se coletarmos dados perto do limite de produção de pares de partículas tau em um colisor de elétrons e pósitrons, e selecionarmos eventos de sinal contendo partículas carregadas acompanhadas por neutrinos não detectados que transportam energia, a significância da observação do tauônio excederá cinco sigmas, que é o indicador que os físicos usam para dar a uma observação a categoria de "descoberta" - ou seja, mostrando uma evidência experimental da existência do tauônio.

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

Experimentos

Outra conclusão interessante é que, usando os mesmos dados, a precisão da medição da massa do tau pode ser melhorada para um nível sem precedentes de 1 keV, duas ordens de magnitude superior à maior precisão alcançada pelos experimentos atuais. Apenas isto não só contribuirá para o teste preciso da teoria eletrofraca no Modelo Padrão, mas também terá implicações importantes para questões fundamentais da física, como a universalidade do sabor do lépton.

Este trabalho é importante porque há pelo menos dois colisores sendo projetados, que poderão executar as medições propostas: O STCF (sigla em inglês para Instalação Tau-Charme), na China, e o SCTF (sigla em inglês para Fábrica Charme-Tau), na Rússia.

Ambos têm entre seus objetivos trabalhar perto do limite do par táuon, medindo a massa do tau com alta precisão e, eventualmente, flagrando o menor e mais pesado átomo com interações eletromagnéticas puras. Esses resultados, se realmente alcançados, nos darão uma compreensão mais profunda sobre a matéria, a antimatéria e suas interações.

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