Pentaquark: A excitação regressa à física dos quarks

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1 Pentaquark: A excitação regressa à física dos quarks
Pedro Bicudo CFIF/ Dep Física IST , Lisboa Colóquios de Física 2004/2005, Centro de Física da Universidade do Minho UM, 09 Março 2005 Braga Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

2 Pentaquarks UM, 09 Março 2005 Braga 1. Pequena história dos quarks.
2. A Cromodinâmica Quântica (QCD), Prémio Nobel 2004. 3. Estudos de multiquarks em Portugal. 4. Descoberta, japonesa, do Pentaquark Theta+. 5. A excitação dos pentaquarks Q+, X-- e D*- . 6. Implicações do modelo do heptaquark-molécula linear. 7. Futuro. UM, 09 Março 2005 Braga Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

3 Introduzem-se os quark, os gluões, e a QCD.
Menciona-se o prémio Nobel da Física de 2004. Discute-se a dificuldade de ligar sistemas de muitos quarks. O estatuto experimental dos pentaquarks Q5, X5 e D-p5 é revisto. Também é apresentado o estatuto dos pentaquarks em Lattice QCD. Finalmente são discutidos os diferentes modelos teóricos para pentaquarks, salientando-se o modelo da molécula linear K-pi-N ou do heptaquark. Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

4 The American Institute of Physics Bulletin of Physics News
Delivered-To: Date: Tue, 2 Dec :17: From: Subject: Physics News Update 664 PHYSICS NEWS UPDATE The American Institute of Physics Bulletin of Physics News Number 664 December 2, 2003 by Phillip F. Schewe, Ben Stein, and James Riordon THE TOP PHYSICS STORIES OF 2003. The first three on our list concern the sharpening of our understanding of the big bang era, evidence for new quark groupings, and progress in manipulating quantum gases. At the largest size scale, new observations from the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), the Sloan Digital Survey and other telescopes have reduced the uncertainties in the values of such cosmic parameters as the Hubble constant, the age of the universe, and the fractions of total energy vested in the form of dark and luminous matter ( ). Going to the opposite extreme, at the level of elementary matter, new data indicate that quarks needn't appear only in clumps of three (baryons) or two (mesons). Work at SLAC (US) and KEK (Japan) hint that quarks might also exist in "tetraquark" states ( while experiments in Japan, the US, Russia, and elsewhere provide evidence for a "pentaquark" state ( ). The third top story concerns the creation of the first ever Bose Einstein condensate (BEC) consisting of paired- fermion-atom molecules ... Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

5 1. Pequena história dos quarks.
Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

6 Exemplo do átomo de Hélio
Os quarks, constituintes da matéria Exemplo do átomo de Hélio Mais de 99,9% da massa da matéria reside nos nucleões, que são constituidos por quarks. A escala da função de onda dos quarks é o Fermi, -15 1 Fm= m . A energia envolvida por quark é da ordem de 300 MeV , que é da ordem de grandeza de E~pc~lc/ h ~200 MeV. Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

7 Modelo dos Quarks para a classificação dos hadrões
Os quarks foram independentemente introduzidos nos anos 60, por Gell-Mann (que se inspirou numa passagem da obra Finnegans Wake de James Joyce para encontrar o nome de quarks), Ne’eman e Zweig, como partículas sub-nucleares para - explicar o elevado número de hadrões (ressonâncias) observados, primeiro em raios cósmicos e depois em aceleradores de partículas, muitos dos quais em multipletos de massa degenerada, por exemplo, h : 1: h 0 N: 2: p+ ,n p: 3: p + , p 0 , p - D: 4: D ++ , D + , D 0 , D K: 4: K+ , K- , K0 , K - explicar o raio finito do protão e do neutrão, da ordem de 0,7 Fm, medido por Hofstadter nos anos 50, - explicar o momento magnético anómalo do protão e do neutrão, que diferem muito do momento esperado em fermiões de Dirac como o electrão. Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

8 g Modelo dos Partões para a dispersão inelástica
Simultaneamente era conhecida a distribuição de carga e o momento magnético anómalo dos nucleões, e estenderam-se as experiências de Hofstadter para electrões de energia cada vez mais alta. Realmente a secção eficaz para e- p+ pode ser descrita por constituintes pontuais, fundamentais, sem estrutura, de spin 1/2 que Feynman chamou de partões. e e g X + u p u d ( O carácter corpuscular dos quarks traduz-se na invariância de escala das funções de estrutura F1 e F2 que generalizam o conceito de distribuição de carga e de momento magnético anómalo dos nucleões.) Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

9 Essencialmente os hadrões convencionais
distribuem-se em dois tipos de aglomerados de quarks, Os Hadrões, fermiões de spin 1/2, 3/2, 5/2, 7/2 … compostos por Q + Q + Q Os Mesões, bosões de spin, 0, 1, 2 ,3 ... compostos por Q + Q Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

10 2. A Cromodinâmica Quantica (QCD),
prémio Nobel 2004 Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

11 2. A Cromodinâmica Quantica (QCD), prémio Nobel 2004
David Gross David Politzer Frank Wilczek Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

12 violar o princípio de Pauli, que diz que
A cor e a teoria da QCD A maioria dos problemas que surgiram com a invenção dos quarks foram resolvidos com a introdução do conceito da cor. A cor foi inicialmente introduzida para não se violar o princípio de Pauli, que diz que ‘’as funções de onda dos fermiões devem ser anti-simétricas para a troca de partículas’’. Ora a função de onda dos 3 quarks que constituem por exemplo o protão, é simétrica em termos de momento angular, spin, e sabor. Assim foi inventado um novo número quântico que daria uma função antisimétrica ao protão. Ora os objectos coloridos, como os quarks e gluões ficam confinados. A experiência ganha no estudo do sabor sugeriu que o grupo de simetria associado deveria ser o grupo SU(3) , pois tal como em SU(2) se pode combinar um spin com um spin para ter um spin total 0, o SU(3) permite com 3 quarks construir funções de onda de cor nula, = + + Tendo o nome de COR sido possivelmente inspirado na contemporânea TV a cores . Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

13 Logo se juntou evidência da compatibilidade da QCD com o confinamento,
Apesar de a cor ter a mesma algebra SU(3) que o sabor, tudo indicava que tinha uma natureza bem distinta devido ao confinamento dos objectos coloridos. Assim atribui-se a cor uma simetria local, inspirada na existência apenas local dos quarks. Uma teoria local já existia, da teoria quântica do electromagnetismo que tem uma simetria de gauge/padrão U(1), onde por exemplo existem cargas positivas e negativas que se podem cancelar. A QCD (teoria da cromodinâmica quântica) surgiu naturalmente como extensão da teoria quântica do electromagnetismo, substituindo o grupo de gauge/padrão U(1) pelo grupo da cor, o grupo SU(3). Logo se juntou evidência da compatibilidade da QCD com o confinamento, - mostrando que no limite de altos momentos é perturbativa, tem liberdade asimptótica, - mostrando que em simulações discretas numa rede existe confinamento Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

14 são por exemplo responsáveis pela interacção entre quarks.
No entanto a QCD permanece uma teoria não resolvida! O seu Lagrangeano é muito simples e bem definido, mas não se sabe ainda calcular algo tão simples como a massa do protão ou o seu momento magnético, ou qualquer outro observável a partir da QCD . Este problema é um dos mais difíceis da física actual, existindo por exemplo um prémio de $ para quem resolver matematicamente o confinamento a partir da QCD. Mas acredita-se que a está QCD correcta! Uma das suas previsões mais notáveis é a existência de gluões, que são análogos aos fotões da electrodinâmica. Os gluões são por exemplo responsáveis pela interacção entre quarks. q q Tal como os quarks, os gluões já foram ‘’observados’’ em dispersões a alta energia, mas por serem coloridos estão confinados e jamais foram observados isoladamente em repouso! g q q Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

15 3. Estudos de multiquarks em Portugal.
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16 One Pion Exchange Potential
3. Estudos de multiquarks em Portugal. Repulsão Hard Core na interacção N-N J. Emílio Ribeiro (CFIF/IST), mostrou, estudando sistema N-N com seis quarks (por exemplo um sistema uud+udd) que os sistemas exóticos têm um forte potencial repulsivo. Isto explica o hard core potential que é responsável pela estabilidade nuclear. l1 s1 V N-N l3 s2 Hard core repulsion 1 Fm r Long Range One Pion Exchange Potential Sigma or Two Pion exchange potential Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

17 Novos mesões escalares são estados Cripto-Exóticos
No início dos anos 80, Eef Van Beveren (CFT/FC), J. Emílio Ribeiro, George Rupp (CFIF/IST) e com colegas de Nijmegen , p p p K0* K0* ... K K K acoplaram o sistema de mesão-mesão ao de quark-antiquark, usando a analiticidade e unitariedade da matriz S, descobriram simultaneamente com Mike Scadron mesões escalares como o sigma (também descoberto com Nils Tornqvist) e o Kappa, que explicam a atracção nuclear. Por outro lado este estudo mostra que multiquarks podem ser atraídos em sistemas não exóticos, mas sim cripto-exóticos. Em 2002 o Kappa foi finalmente confirmado experimentalmente. Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

18 Condensado de quarks no vácuo
Os quarks u d e s são tão leves, e sofrem uma interacção tão forte que se ligam em estados de energia imaginária (takiões). O vácuo vazio é na verdade instável. Trata-se de um estudo de P.B. e Emilio Ribeiro em 1989. q q q q q q q q q q q q q q q q O vácuo estável é um condensado de múltiplos pares de quark e anti-quark! Isto conduz à quebra expontânea de simetria quiral (mecanismo descoberto por Yohiro Nambu nos anos 50), e à condensação do vácuo com múltiplos pares de quark e anti-quark. Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

19 Cripto-Exóticos muito estáveis
Recentemente George Rupp e Eef van Beveren conseguiram em tempo recorde explicar os novos estados escalares e axiais Ds, observados em BABAR e BELLE. Estes estados tinham também sido previstos por Maciej Nowak como parceiros quirais dos pseudo-escalares e vectores Ds. + u c s c s u Os Ds são estados muito estáveis, e os sigma e Kappa são muito instáveis. A sua largura muda por 3 ordens de grandeza! No entanto as mesmas técnicas permitem entende-los. Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

20 4. Descoberta, japonesa, do Pentaquark.
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21 Takashi Nakano Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

22 Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

23 Tubo com vácuo onde os electrões se movem a velocidades relativistas.
Sincro-Ciclotrão: Tubo com vácuo onde os electrões se movem a velocidades relativistas. Um forte campo magnético cria a força centrípeta necessária ao movimento circular uniforme dos electrões. Os electrões comportam-se como antenas e radiam raios X, que são usados por exemplo para investigar materiais e células. e e B e B e B B B e e e B B e v Raios X Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

24 Fotão muito energético
Em Spring-8 existem mais de 80 experiências, e apenas uma das quais estuda a fisica dos quarks. Tubo do ciclotrão e Fotão muito energético Laser Alvo Detector Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

25 O Pentaquark uudds foi inicialmente decoberto em LEPS: T. Nakano & al,
hep-ex/ , Phys.Rev.Lett.91:012002,2003 DIANA: V.V. Barmin & al, hep-ex/ , Phys.Atom.Nucl.66: ,2003, Yad.Fiz.66: ,2003 Entretanto já foi confirmado em cerca de 10 experiências diferentes! Tem uma energia de 1540 MeV e uma largura possivelmente da ordem de 10 MeV. Recentemente foram descobertos os pentaquarks ddssu em NA49 : C. Alt & al., hep-ex/ , Phys.Rev.Lett.92:042003,2004 e uuddc em H1 : hep-ex/ Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

26 Laboratório com experiências dedicadas à física hadrónica
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27 Já existem tantas experiências que procuraram pentaquarks, que podemos
nos entreter a contar as que observam /as que não observam o pentaquark SIM Não uudds ~ ~12 ddssu (NA49) ~3 uuddb (H1) ~2 No entanto esta contagem é ingénua. Os laboratórios que não observam o pentaquark são todos de altas energias, onde podem ser criadas milhares De partículas numa única reacção. A comunidade científica aguarda avidamente os resultados das experiências no JLAB, Virgínia, USA, e COSY, Alemanha, que Devem dar o veredicto final. Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

28 A discretização da QCD numa rede a 4 dimensões, sugerida por Wilson,
QCD na rede A discretização da QCD numa rede a 4 dimensões, sugerida por Wilson, tem estimulado grupos de físicos a usar e a desenvolver os computadores mais poderosos do mundo. Usa-se o formalismo do integral de caminho (soma sobre todos os processos possíveis) que também é usado no cálculo da função de partição em Física Estatística. O número de integrais a calcular é astronómico e aplica-se o método de Monte Carlo. A técnica consiste em discretizar as derivadas do lagrangeano de Dirac com o método das diferenças finitas. Os campos de quarks e os de anti-quarks residem nos vértices da rede. Os campos de gluões residem nas arestas da rede. A teoria é invariante pelas transformações locais de SU(3) da QCD. y quark Anti-quark gluão gluão y y gluão quark quark U2 U1 y Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

29 um pentaquark de paridade – e massa compatível com a observada,
Na rede, (Lattice QCD), os diversos grupos são unânimes em verificar que: um pentaquark de paridade – e massa compatível com a observada, não está confirmado pois pode ser um estado K-N livre, desligado, - um pentaquark de paridade + deve existir, com massa bem mais elevada, Da ordem de 1.8 a 2.0 GeV (em vez de 1.53 GeV) No entanto estas simulações ainda são realizadas em redes pequenas, sem aniquilação ou criação de quarks. Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

30 5. A excitação dos pentaquarks
Q+, X-- e D*- . Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

31 Vários modelos teóricos pretendem explicar os pentaquarks
No modelo de Jaffe e Wilczek, de diquarks e de strings, compara-se o pentaquark com um anti-barião, onde um di-quark tem a mesma côr de um anti-quark. Para explicar a pequena constante de decaimento do pentaquark, uma onda P, de l=1, é assumida. O problema deste modelo é que a energia do sistema tende a ser demasiado elevada, M~1700MeV. 3 ud s 3 3 ud Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

32 Neste modelo os pentaquarks têm paridade +.
O Skyrme Model onde os bariões (que são fermiões) são descritos como solitões topológicos constituidos por campos de piões (que são bosões!). Este modelo foi usado por Diakonov, Petrov e Poliakov há 10 anos para prever o Q+, com a massa correcta e uma largura pequena. Também previu a existência de um anti-decupleto que inclui mais estados exóticos, X agora observados. Neste modelo os pentaquarks têm paridade +. Um barião é construído com um campo divergente de mesões uussd ddssu uudds Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

33 Porque o não Q+ pode ser um simples estado uudds ou K-N :
desvio de fase teórico, baseado na repulsão entre quarks Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

34 A partir de quarks e da simetria quiral chegamos ao critério,
- quando dois hadrões incluem quarks repetidos, aumenta a repulsão, - quando um hadrão tem um antiquark, antipartícula do quarks de um outro hadrão, a atracção aumenta Exs: u d s u d s Aniquilação: attracção Veff. a -(2/3)(2mN-mD) Troca: repulsão Veff. a (2/3)(mD-mN) Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

35 Assim o K e o N são repelidos!
Ou seja o Q+ não deve ser um uudd+s pentaquark! Aqui propomos que o Q+ é um heptaquark com a sobreposição de um p+K+N, porque os canais I=1/2 p+K e p+N são atractivos. K----p----N The Theta+ (1540) as a heptaquark with the overlap of a pion, a kaon and a nucleon P.Bicudo, G. M. Marques Phys. Rev. D69 rapid communication (2004) , hep-ph/ Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

36 A configuração favorável no sabor é,
Total I=1 I=0 p I=1/ I=1/2 K I= N I=1/ I=1/2 Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

37 Obtemos para a energia do pião em função da distância K - N.
Verificamos que o pião pode ser ligado por um K e um N, mas mais efeitos têm ainda de ser incluídos para termos a certeza. Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

38 O novo pentaquark ddssu X-- também pode ser entendido como uma molécula linear
K----N----K o que naturalmente conduz a uma massa próxima da massa observada experimentalmente de 1860 MeV, correspondente a uma energia de ligação de 60MeV. A descoberta de mais pentaquarks como o D*p 3100, ou o estudo da paridade destes pentaquarks irá permitir entender qual é o melhor modelo da actualidade. P. Bicudo , Phys. Rev. D 70, (Rapid communication) (2004) P. Bicudo, Phys. Rev. D 71, (Rapid communication) (2005) Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

39 6. Implicações do modelo heptaquark: moléculas, aniquilação…
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40 One Pion Exchange Potential
Molecular multiquarks: -needed medium range interaction We still fail, a -50 MeV is missing! This suggests that the attractive medium range interaction (two pion exchange) should be included. Ex. N-N interaction Ex. N-N interaction Equivalent to add many p to the Fock space V N-N core repulsion (Ribeiro) 1 R [Fm] Long Range One Pion Exchange Potential (Yukawa) Sigma or p+p exchange potential Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

41 http://smithers.physnet2.uni-ham burg.de/OnLine/online.htm
Data copied from: J. Haidenbauer, G. Krein, Phys. Rev. C68 (2003) [hep-ph/ ] who used the SAID program The Medium Range Interaction is Indeed Found by the Hamburg, Inversion OnLine burg.de/OnLine/online.htm Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

42 Molecular multiquarks: -where are the pure pentaquarks?
the diquark picture should not be wrong, moreover it is confirmed by the lattice, however higher energies or wider decays are expected P=+ M~1.7 to 2 GeV, decays with string-breaking P=- M~1.53 GeV, decays with flip-flop ud s ud Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

43 Molecular multiquarks: -nuclear effects
See M. Vicente-Vacas, D. Cabrera, O. Li, V. Magas, E. Oset N’ p du K us uud N N’ Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

44 s s u u c c Annihilation: The tetraquarks are easy to get, Ex. of Ds,
''THE FAMILY OF STRANGE MULTIQUARKS AS KAONIC MOLECULES BOUND BY HARD CORE ATTRACTION'' P. B., Nucl. Phys. A, in press (2004) Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

45 Crypto-exotics are harder to implement in the lattice
Annihilation: Crypto-exotics are harder to implement in the lattice large Distance Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

46 7. Futuro Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

47 multiquarks qqqq, qqqqq, qqqqqq... híbridos qqg, qqqg ….
Presentemente estão a ser projectadas grandes experiências de uma nova geração, onde os detectores são muito flexíveis e permitem medir um leque muito variado de reacções. Destacam-se as colaborações PANDA, no GSI em Darmstadt e GLUE-EX, no Jefferson Lab em Richmond, que estarão à espreita de exóticos. Recentemente a HERA-G, no DESY em Hamburg foi proposta para estudar glueballs. O LHC no CERN em GENÈVE também terá a oportunidade de medir hadrões exóticos, sejam eles multiquarks qqqq, qqqqq, qqqqqq... híbridos qqg, qqqg …. ou glueballs gg, ggg ... Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo

48 Em paralelo com o projecto e a montagem das experiências,os físicos teóricos são motivados para aprofundar a teoria, de forma a prever o que possa vir a ser observado. O problema mais difícil pode residir na previsão das massas e larguras (constantes de decaimento) das glueballs. g Decaimento do gluão q q Quebra da corda q q g Pentaquark UM 03/2005 P. bicudo