X(2370) pode encerrar busca de 50 anos por uma nova forma de matéria

Por que os glueballs eram tão difíceis de encontrar?

A existência de glueballs é uma previsão da cromodinâmica quântica (QCD), a teoria que descreve a força forte. Ao contrário dos fótons, os glúons carregam a chamada carga de cor. Por isso, podem interagir uns com os outros e, em princípio, formar estados ligados sem a presença de quarks .

Quarks foram estabelecidos experimentalmente na década de 1960, e os glúons receberam confirmação indireta nos anos 1970. Já os glueballs permaneceram sem uma identificação inequívoca porque podem se misturar com mésons comuns que tenham os mesmos números quânticos. Essa sobreposição tornou difícil separar uma assinatura genuinamente gluônica de uma partícula convencional .

Como a BESIII chegou à interpretação de glueball

A colaboração utilizou a maior amostra mundial de decaimentos de J/ψ, com aproximadamente 10 bilhões de eventos, registrada pelo detector BESIII no Colisor de Elétrons-Pósitrons de Pequim II (BEPCII). Com esse volume de dados, os pesquisadores puderam realizar uma análise detalhada de ondas parciais no processo:

J/ψ → γ Kₛ⁰Kₛ⁰η′

A estratégia foi combinar diferentes características da X(2370): seus números quânticos, sua massa, a forma como é produzida e os modos como decai. Considerados em conjunto, esses dados são compatíveis com o glueball pseudoscalar mais leve .

Números quânticos: J^PC = 0⁻⁺

Em 2024, a BESIII determinou pela primeira vez que a X(2370) tem J^PC = 0⁻⁺, com significância estatística superior a 11,7 sigma . Em termos simples, a notação indica uma partícula de spin total zero, com paridade negativa e conjugação de carga positiva.

Esse resultado foi decisivo porque cálculos de QCD na rede — uma técnica numérica usada para estudar a força forte em regimes nos quais os cálculos comuns não funcionam — previam justamente esses números quânticos para o glueball pseudoscalar mais leve . O estudo foi publicado na revista Physical Review Letters como uma “Editor's Suggestion”, seleção reservada a resultados considerados especialmente relevantes .

Massa compatível com a previsão teórica

A massa medida da X(2370) foi determinada como:

2.395 ± 11 (estatístico) +26/−94 (sistemático) MeV .

Esse valor está dentro da faixa esperada pelos cálculos de QCD na rede para o glueball 0⁻⁺ mais leve . A concordância entre massa e números quânticos não prova o caso isoladamente, mas fortalece a interpretação quando combinada com as demais observações.

Um estado sem preferência por sabores

Mésons comuns, formados por quarks e antiquarks, podem apresentar preferências nos canais de decaimento ligados aos diferentes sabores de quarks. Um glueball, por ser dominado por glúons, deve se comportar de maneira mais próxima de um estado singleto de sabor: em vez de favorecer claramente quarks estranhos ou não estranhos, tende a produzir diferentes combinações de hádrons sem uma preferência específica .

A BESIII observou a X(2370) em vários estados finais, incluindo:

• π⁺π⁻η′;
• Kₛ⁰Kₛ⁰η′;
• Kₛ⁰Kₛ⁰π⁰;
• ηπ⁰π⁰.

A distribuição entre múltiplos canais, sem uma preferência simples por um sabor de quark, é uma característica esperada de um estado dominado por glueball .

A importância de observar vários decaimentos

A X(2370) foi observada pela primeira vez em 2011, no decaimento:

J/ψ → γ π⁺π⁻η′

Depois, a mesma ressonância foi identificada em outros processos, como os associados a γ K̄Kη′ e, mais recentemente, a γ Kₛ⁰Kₛ⁰π⁰ e γπ⁰π⁰η .

A repetição do sinal em canais independentes reduz a possibilidade de que se trate apenas de uma flutuação estatística ou de um méson comum mal identificado. Ainda assim, o ponto central é a combinação entre a recorrência do sinal, os números quânticos, a massa e o padrão de decaimentos.

O que o resultado muda na física de partículas?

O anúncio apresentado pela colaboração BESIII na Conferência Internacional de Física de Altas Energias (ICHEP), em Natal, no Brasil, representa o desfecho de cerca de 15 anos de trabalho experimental . Suas consequências vão além da identificação de uma única partícula.

• Testa uma previsão central da QCD: o resultado apoia a ideia de que glúons podem interagir entre si e formar estados ligados, uma consequência da estrutura não abeliana da força forte .
• Valida cálculos de QCD na rede: a compatibilidade entre a massa, os números quânticos e as previsões teóricas mostra que esses métodos conseguem descrever aspectos não perturbativos da matéria hadrônica .
• Amplia a espectroscopia de hádrons: a X(2370) oferece um ponto de partida para procurar outros glueballs, incluindo estados escalares e tensoriais, e para estudar como eles se misturam com partículas formadas por quarks .
• Refina a descrição da matéria no Modelo Padrão: entender esses estados ajuda a explicar como a força forte produz as partículas compostas observadas no laboratório .

A formulação mais precisa, portanto, é que a X(2370) constitui a evidência mais forte até agora de um estado dominado por glueball, e não necessariamente a demonstração de uma partícula perfeitamente pura, sem qualquer mistura com componentes de quarks.

O que vem agora?

A X(2370) é considerada candidata ao glueball pseudoscalar mais leve. Os próximos estudos devem procurar outros membros da possível família de glueballs, como os estados escalar 0⁺⁺ e tensorial 2⁺⁺, que podem aparecer em massas diferentes .

Novas análises no BESIII e em outros aceleradores também poderão medir com mais precisão as propriedades da X(2370), esclarecer a intensidade da mistura com mésons convencionais e testar a QCD em seu regime não perturbativo. Depois de uma busca que atravessou quase 50 anos, a questão deixa de ser apenas “glueballs existem?” e passa a ser “qual é a composição completa desses estados e quantos deles a natureza produz?”.