Áxion: descoberta pode responder a uma das questões mais intrigantes da física

Por UniversityOfMinnesota
Publicado no Phys.org

Um dos mistérios de maior destaque na física hoje é o que os cientistas chamam de “Problema de CP Forte“. Decorrente do intrigante fenômeno de que os nêutrons não interagem com campos elétricos apesar de serem compostos de quarks – partículas menores e fundamentais que carregam cargas elétricas – o Problema de CP Forte questiona o Modelo Padrão da Física, o conjunto de teorias que os cientistas têm usando para explicar as leis da natureza por anos.

Uma equipe liderada por físicos teóricos da Universidade de Minnesota Twin Cities descobriu uma nova maneira de procurar áxions, partículas hipotéticas que podem ajudar a resolver esse mistério. Trabalhando em colaboração com pesquisadores experimentais no Fermilab National Accelerator Laboratory, a nova estratégia dos físicos abre oportunidades anteriormente inexploradas para detectar áxions em experimentos de colisores de partículas.

O artigo dos pesquisadores é publicado e apresentado com aval do editor na Physical Review Letters.

“Como físicos de partículas, estamos tentando desenvolver nossa melhor compreensão da natureza”, disse Zhen Liu, coautor do artigo e professor assistente na Escola de Física e Astronomia da Universidade de Minnesota. “Os cientistas tiveram um tremendo sucesso no século passado em encontrar partículas elementares por meio de estruturas teóricas estabelecidas. Portanto, é extremamente intrigante por que os nêutrons não se acoplam a campos elétricos porque, em nossa teoria conhecida, esperaríamos que eles o fizessem. Se descobrirmos o áxion, será um grande avanço em nossa compreensão fundamental da estrutura da natureza.”

Um dos principais meios para estudar partículas subatômicas e potencialmente descobrir novas, são os experimentos de colisores. Essencialmente, os cientistas forçam feixes de partículas a colidir – e quando eles se chocam, a energia que produzem cria outras partículas que passam por um detector, permitindo que os pesquisadores analisem suas propriedades.

O método proposto por Liu e sua equipe envolve medir o produto de “decaimento” – ou o que acontece quando uma partícula pesada instável se transforma em várias partículas mais leves – do áxion hipotético em dois múons – partículas conhecidas que são essencialmente a versão mais pesada do elétron. Ao fazer um retrospecto a partir dos rastros de múons no detector para reconstruir tais decaimentos, os pesquisadores acreditam ter a chance de localizar o áxion e provar sua existência.

“Com esta pesquisa, estamos expandindo as maneiras pelas quais podemos procurar a partícula áxion”, disse Raymond Co, coautor do artigo e pesquisador de pós-doutorado na Escola de Física e Astronomia da Universidade de Minnesota e no William Fine Theoretical Physics Institute. “As pessoas nunca usaram o decaimento do áxion em múons como uma forma de procurar a partícula do áxion em experimentos de neutrinos ou colisores antes. Esta pesquisa abre novas possibilidades para abrir caminho para empreendimentos futuros em nosso campo.”

Liu e companhia, juntamente com o pesquisador de pós-doutorado em física e astronomia da Universidade de Minnesota, Kun-Feng Lyu, e o pesquisador de pós-doutorado da Universidade da Califórnia, Berkeley, Soubhik Kumar, estão por trás da parte teórica da pesquisa. Eles fazem parte da colaboração ArgoNeuT, que reúne teóricos e experimentalistas de todo o país para estudar partículas por meio de experimentos no Fermilab.

Neste artigo, a equipe teórica liderada pela Universidade de Minnesota trabalhou com os pesquisadores experimentais para realizar uma busca por áxions usando seu novo método e dados existentes do experimento ArgoNeuT. Os pesquisadores planejam usar os resultados experimentais para refinar ainda mais seus cálculos teóricos da taxa de produção de áxions no futuro.