Evidência de novo tipo de física descoberta no LHC

Por , em 23.03.2021

Quando o gigantesco acelerador de Cern, o Grande Colisor de Hádrons (LHC), iniciou há dez anos, as esperanças eram grandes de que novas partículas que poderiam nos ajudar a desvendar os mistérios mais profundos da física seriam descobertas. Matéria escura, buracos negros microscópicos e dimensões ocultas eram apenas algumas das possibilidades. Mas além da espetacular descoberta do bóson de Higgs, o projeto não deu pistas sobre o que poderia estar além do modelo padrão da física de partículas, nossa melhor teoria atual do microcosmo.

Assim, nosso novo artigo do LHCb, um dos quatro experimentos gigantes do LHC, provavelmente fará o coração dos físicos bater um pouco mais rápido. Depois de analisar trilhões de colisões produzidas na última década, é possível que tenhamos encontrado evidências de algo completamente novo, potencialmente uma nova força da natureza.

Mas a excitação é temperada por extrema cautela. O modelo padrão resistiu a todos os testes experimentais lançados nele desde que foi criado na década de 1970, então afirmar que finalmente estamos vendo algo que ele não pode explicar requer evidências extraordinárias.

Anomalia estranha

O modelo padrão descreve a natureza na menor das escalas, compreendendo partículas fundamentais conhecidas como leptons (como elétrons) e quarks (que podem se unir para formar partículas mais pesadas, como prótons e nêutrons) e as forças com as quais interagem.

Existem muitos tipos diferentes de quarks, alguns dos quais são instáveis e podem se deteriorar em outras partículas. O novo resultado refere-se a uma anomalia experimental que foi sugerida pela primeira vez em 2014, quando os físicos do LHCb viram quarks “beauty” (beleza) em decomposição de maneiras inesperadas.

Especificamente, os quarks beauty pareciam estar em decomposição em leptons chamados “múons” com menos frequência do que se deterioravam em elétrons. Isso é estranho porque o múon é, em essência, uma cópia de idêntica do elétron, idêntico em todos os sentidos, com exceção do fato que é cerca de 200 vezes mais pesado.

É esperado que os quarks beauty se deteriorassem em múons com a mesma frequência que eles viram elétrons. A única maneira desses decaimentos acontecerem em taxas diferentes é se algumas partículas nunca antes observadas estivessem se envolvendo no decaimento e pesando a balança contra os múons.

Embora o resultado de 2014 tenha sido intrigante, não foi preciso o suficiente para tirar uma firme conclusão. Desde então, uma série de outras anomalias têm aparecido em processos relacionados. Todos eles têm sido individualmente muito sutis para os pesquisadores estarem confiantes de que eram sinais genuínos da nova física, mas todos pareciam estar apontando em uma direção semelhante.

A grande questão era se essas anomalias ficariam mais fortes à medida que mais dados fossem analisados ou se virariam em nada. Em 2019, o LHCb realizou novamente a mesma medição do decaimento do quark beauty, mas com dados extras coletados em 2015 e 2016. Mas as coisas não estavam muito mais claras do que eram sido cinco anos antes.

Novos resultados

O resultado de hoje dobra o conjunto de dados existente adicionando a amostra registrada em 2017 e 2018. Para evitar a introdução acidental de vieses, os dados foram analisados como “cegos” – os cientistas não puderam ver o resultado até que todos os procedimentos utilizados na medição tivessem sido testados e revisados.

Mitesh Patel, físico de partículas do Imperial College London e um dos líderes do experimento, descreveu a emoção que sentiu quando chegou o momento de olhar para o resultado. “Eu realmente estava tremendo”, ele disse, “Eu percebi que esta foi provavelmente a coisa mais emocionante que eu fiz em meus 20 anos em física de partículas.”

Quando o resultado apareceu na tela, a anomalia ainda estava lá: cerca de 85 decaimentos de múon para cada 100 decaimentos de elétrons, mas com uma incerteza menor do que antes.

O que vai excitar muitos físicos é que a incerteza do resultado está agora acima de “três sigma”; a maneira dos cientistas dizerem que há apenas cerca de uma em mil chances de que o resultado seja um acaso aleatório dos dados. Convencionalmente, os físicos de partículas chamam qualquer coisa acima de três sigma de “evidência”. No entanto, ainda estamos muito longe de uma “descoberta” ou “observação” confirmada, que exigiria cinco sigma.

Os teóricos mostraram que é possível explicar essa anomalia (e outras) reconhecendo a existência de novas partículas que estão influenciando as maneiras pelas quais os quarks se decompõem. Uma possibilidade é uma partícula fundamental chamada “Z prime”, em essência, portadora de uma nova força da natureza. Esta força seria extremamente fraca, e é por isso que não vimos nenhum sinal dela até agora, e interagiria com elétrons e múons de forma diferente.

Outra opção é o hipotético “leptoquark” – uma partícula que tem a capacidade única de decair para quarks e leptons simultaneamente e poderia ser parte de um quebra-cabeça maior que explica por que vemos as partículas encontradas na natureza.

Interpretando os achados

Finalmente vimos evidências de uma nova física? Bem, talvez, talvez não. Fazemos muitas medições no LHC, então você pode esperar que pelo menos algumas delas caiam tão longe do modelo padrão. E nunca podemos descartar totalmente a possibilidade de que haja algum viés em nosso experimento que não contabilizamos adequadamente, mesmo que este resultado tenha sido verificado intensivamente. Em última análise, a imagem só ficará mais clara com mais dados. O LHCb está atualmente passando por uma grande atualização para aumentar drasticamente a taxa em que registra colisões.

Mesmo que a anomalia persista, provavelmente só será totalmente aceita quando um experimento independente confirmar os resultados. Uma possibilidade excitante é que possamos detectar as novas partículas responsáveis pelo efeito que está sendo criado diretamente nas colisões no LHC. Enquanto isso, o experimento Belle II no Japão deve ser capaz de tirar medidas semelhantes.

O que isso poderia significar para o futuro da física fundamental? Se o que estamos vendo é realmente o prelúdio de algumas novas partículas fundamentais, então finalmente será o avanço que os físicos anseiam há décadas.

Finalmente veremos uma parte do amplo panorama que está além do modelo padrão, o que, em última análise, poderia nos permitir desvendar qualquer número de mistérios estabelecidos. Estes incluem a natureza da matéria escura invisível que preenche o universo, ou a natureza do bóson de Higgs. Poderia até ajudar os teóricos a unificar as partículas e forças fundamentais. Ou, talvez o melhor de tudo, poderia estar apontando para algo que nunca sequer consideramos.

Então, devemos ficar animados? Sim, resultados como este não aparecem com frequência, a temporada de caça está definitivamente aberta. Mas devemos ser cautelosos e humildes também; alegações extraordinárias requerem provas extraordinárias. Só o tempo e o trabalho duro dirão se finalmente vimos o primeiro vislumbre do que está além do nosso entendimento atual da física de partículas.

Este artigo foi publicado originalmente pelos físicos Harry Cliff, Konstantinos Alexandros Petridis e Paula Alvarez Cartelle no The Conversation e foi reproduzido aqui com permissões Creative Commons. Veja o artigo original.

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