De acordo com nossa compreensão atual do Universo, os quarks são partículas pontuais, ditas "fundamentais", ou seja, elas não são constituídas por partículas menores.
Um
artigo recente publicado pela colaboração CMS do LHC descreve como suas equipes sondaram os quarks em uma escala de 10
-20 metro para testar essa hipótese.
Nessa escala, nenhum indício de eventuais constituintes básicos foi observado, mas a história mostra que estruturas outrora consideradas fundamentais podem revelar subestruturas profundas: assim, descobriu-se que a matéria era constituída de moléculas, elas próprias compostas de átomos, eles próprios constituídos de um núcleo denso rodeado por uma nuvem de elétrons.
Rutherford descobriu o núcleo atômico ao enviar um feixe de partículas (núcleos de hélio) sobre um alvo constituído de uma folha de ouro. Ele constatou que essas partículas eram desviadas em diferentes ângulos devido à estrutura dos átomos de ouro. Rutherford então mediu os ângulos das trajetórias das partículas desviadas.
Estudando a distribuição desses ângulos (os ângulos de difusão), ele foi capaz de provar que os átomos continham em seu centro um núcleo pontual. Essa experiência pôde ser realizada porque o feixe de hélio utilizado no dispositivo experimental tinha energia suficiente para sondar o interior dos átomos.
Posteriormente, foi demonstrado que o núcleo era constituído de prótons e nêutrons, os quais por sua vez são constituídos de quarks. As experiências do LHC, incluindo o CMS, prosseguem hoje essas pesquisas fazendo colidir partículas em energias extremamente elevadas para sondar a possível estrutura interna dos quarks.
Quando dois feixes de prótons colidem no CMS, os quarks que os compõem se dispersam em dois jatos - ou chuvas de partículas - que podem ser medidos e usados para reconstituir o ângulo de difusão entre os quarks.
A distribuição dos ângulos de difusão entre os dois jatos pode então ser comparada à distribuição que seria esperada se o quark fosse efetivamente uma partícula pontual. Os
resultados recentes da colaboração CMS, baseados em dados do segundo período de operação do LHC, não mostraram nenhuma contradição significativa com a distribuição de difusão de uma partícula pontual. Isso significa que, se os quarks são estruturas compostas, é improvável que seu tamanho exceda 10
-20 m.
O tamanho é estimado a partir das restrições relativas à escala de energia na qual o caráter composto do quark poderia se revelar. Em relação ao modelo de referência usado no recente artigo do CMS, que assumia um quark composto, os últimos resultados estabelecem o limite mais rigoroso até o momento em 37 TeV.
Da mesma forma que Rutherford pôde identificar os elementos constituintes do átomo porque seu feixe de partículas tinha energia suficiente, o estudo de colisões de partículas em energias mais altas poderia nos permitir detectar potenciais estruturas menores dentro dos quarks.
Os dados provenientes do terceiro período de operação do LHC e do futuro
LHC de alta luminosidade poderiam contribuir para reduzir as incertezas relacionadas à medição do ângulo de difusão, o que permitiria detectar estruturas ainda mais ínfimas e prosseguir a busca pelos menores "tijolos" da matéria.
Fonte: CERN