Experimentos do CERN sugerem uma nova força da natureza

Especialistas revelam estar 'cautelosamente empolgados' com partículas instáveis ​​que não decaem como o modelo padrão sugere.

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Um homem anda de bicicleta ao longo da linha de feixe do Grande Colisor de Hádrons. (Créditos: Valentin Flauraud/AFP via Getty Images)

O LHCb, uma das quatro equipes principais do LHC, analisou 10 anos de dados relacionados a como partículas instáveis ​​chamadas B-mésons, criadas momentaneamente na enorme máquina, decaíram em tipos de matéria mais familiares, como elétrons.

A estrutura matemática que sustenta a compreensão dos cientistas do mundo subatômico, conhecida como modelo padrão da física de partículas, afirma firmemente que as partículas devem se decompor em produtos que incluem elétrons exatamente na mesma taxa do que em produtos que incluem um primo mais pesado do elétron, uma partícula chamada múon.

Mas os resultados divulgados pelo Cern na terça-feira sugerem que algo incomum está acontecendo. Os B-mésons não estão decaindo da maneira que o modelo diz que deveriam: em vez de produzir elétrons e múons na mesma taxa, a natureza parece favorecer a rota que resulta em elétrons.

“Esperaríamos que essa partícula decaísse para o estado final contendo elétrons e o estado final contendo múons na mesma taxa”, disse o professor Chris Parkes, físico experimental de partículas da Universidade de Manchester e porta-voz da colaboração do LHCb. “O que temos é uma pista intrigante de que talvez esses dois processos não ocorram na mesma taxa, mas isso não é conclusivo.”

No palavreado da física, o resultado tem uma significância de 3,1 sigma, o que significa que a chance de ser um acaso é de cerca de um em 1.000. Embora isso possa parecer uma evidência convincente, os físicos de partículas tendem a não reivindicar uma nova descoberta até que o resultado alcance uma significância de cinco sigma, onde a chance de ser uma peculiaridade estatística é reduzida a uma em alguns milhões.

“É uma pista intrigante, mas já vimos sigmas irem e virem antes. Isso acontece com uma frequência surpreendente”, disse Parkes.

O modelo padrão da física de partículas descreve as partículas e forças que governam o mundo subatômico. Construído ao longo do último meio século, ele define como partículas elementares chamadas quarks constroem prótons e nêutrons dentro dos núcleos atômicos, e como estes, geralmente combinados com elétrons, constituem toda a matéria conhecida. O modelo também explica três das quatro forças fundamentais da natureza: eletromagnetismo; a força forte, que mantém os núcleos atômicos unidos; e a força fraca que causa reações nucleares no sol.

Mas o modelo padrão não descreve tudo. Ele não explica a quarta força, a gravidade, e talvez o mais impressionante, não diz nada sobre os 95% do universo que os físicos acreditam não ser construído a partir de matéria normal.

Grande parte do cosmos, eles acreditam, consiste em energia escura, uma força que parece estar impulsionando a expansão do universo, e matéria escura, uma substância misteriosa que parece estruturar a teia cósmica de matéria como um esqueleto invisível.

“Se descobrirmos, com uma análise extra de processos adicionais, que fomos capazes de confirmar isso, seria extremamente empolgante”, disse Parkes. Significaria que há algo errado com o modelo padrão e que exigimos algo extra em nossa teoria fundamental da física de partículas para explicar como isso aconteceria.”

Apesar das incertezas sobre este resultado em particular, Parkes disse que quando combinado com outros resultados sobre B-mésons, o caso de algo incomum acontecendo se tornou mais convincente.

“Eu diria que há uma empolgação cautelosa. Estamos intrigados porque esse resultado não só é bastante significativo, mas também se encaixa no padrão de alguns resultados anteriores do LHCb e de outros experimentos em todo o mundo”, disse ele.

Ben Allanach, professor de física teórica da Universidade de Cambridge, concorda que, considerado juntamente com outras descobertas, o último resultado do LHCb é empolgante. “Eu realmente acho que isso vai se transformar em algo”, disse ele.

Se o resultado for verdadeiro, isso pode ser explicado por partículas hipotéticas até agora chamadas de Z-prime ou leptoquarks, que trazem novas forças para afetar outras partículas.

“Pode haver uma nova força quântica que faz os B-mésons se dividirem em múons na taxa errada. Ela está juntando-os e impedindo-os de se decompor em múons na taxa que esperávamos”, disse Allanach. “Esta força pode ajudar a explicar o padrão peculiar das massas das diferentes partículas de matéria.”

Os B-mésons contêm partículas elementares chamadas quarks beauty, também conhecidos como quarks bottom

Os cientistas vão coletar mais dados do LHC e de outros experimentos ao redor do mundo, como Belle II no Japão, na esperança de confirmar o que está acontecendo.