Físicos podem ter descoberto a ‘nova força da natureza’ em experimento do LHC

0
185
Visualização de um experimento do LHCb. Crédito: CERN.

Por Harry Cliff
Publicado no The Conversation

O Grande Colisor de Hádrons (LHC, na sigla em inglês) gerou entusiasmo mundial em março, quando os físicos de partículas relataram evidências tentadoras de uma nova física – potencialmente uma nova força da natureza.

Agora, nosso novo resultado, ainda a ser revisado por pares, do colisor de partículas gigantesco do CERN parece estar adicionando mais suporte à ideia.

Nossa melhor teoria atual de partículas e forças é conhecida como o modelo padrão, que descreve tudo o que sabemos sobre as coisas físicas que constituem o mundo ao nosso redor com precisão infalível.

O modelo padrão é, sem dúvida, a teoria científica mais bem-sucedida já escrita e, ao mesmo tempo, sabemos que deve estar incompleta.

Notoriamente, ele descreve apenas três das quatro forças fundamentais – a força eletromagnética e as forças forte e fraca, deixando de fora a gravidade. Não há explicação para a matéria escura que a astronomia nos diz que domina o Universo e não explica como a matéria sobreviveu durante o Big Bang.

Experimento do LHCb. Crédito: CERN.

A maioria dos físicos está, portanto, confiante de que deve haver mais ingredientes cósmicos a serem descobertos, e estudar uma variedade de partículas fundamentais conhecidas como quarks beauty é uma maneira particularmente promissora de obter pistas do que mais pode haver por aí.

Os quarks beauty, às vezes chamados de quarks bottom, são partículas fundamentais que, por sua vez, formam partículas maiores. Existem seis sabores de quarks que são denominados up, down, strange, charm, beauty/bottom e truth/top. Quarks up e down, por exemplo, constituem os prótons e nêutrons no núcleo atômico.

Os quarks beauty são instáveis, vivendo em média apenas por cerca de 1,5 trilionésimo de segundo antes de se decompor em outras partículas. A maneira como os quarks beauty decaem pode ser fortemente influenciada pela existência de outras partículas ou forças fundamentais.

Quando um quark beauty decai, ele se transforma em um conjunto de partículas mais leves, como elétrons, por meio da influência da força fraca. Uma das maneiras pelas quais uma nova força da natureza pode se revelar para nós é alterando sutilmente a frequência com que os quarks beauty decaem em diferentes tipos de partículas.

O estudo foi baseado em dados do experimento LHCb, um dos quatro detectores gigantes de partículas que registram o resultado das colisões de energias ultra-altas produzidas pelo LHC. (O “b” em LHCb significa “beauty”.)

Ele descobriu que os quarks beauty estavam decaindo em elétrons e seus primos mais pesados ​​chamados múons em taxas diferentes. Isso foi realmente surpreendente porque, de acordo com o modelo padrão, o múon é basicamente uma cópia de carbono do elétron – idêntico em todos os aspectos, exceto por ser cerca de 200 vezes mais pesado.

Isso significa que todas as forças devem atrair elétrons e múons com igual força – quando um quark beauty decai em elétrons ou múons por meio da força fraca, deve fazê-lo isso com a mesma frequência.

Em vez disso, meus colegas descobriram que o decaimento do múon estava acontecendo apenas cerca de 85% das vezes que o decaimento do elétron. Supondo que o resultado esteja correto, a única maneira de explicar tal efeito seria se alguma nova força da natureza exercida sobre elétrons e múons de maneira diferente esteja interferindo em como os quarks beauty decaem.

O resultado causou grande empolgação entre os físicos de partículas. Há décadas procuramos por sinais de algo além do modelo padrão e, apesar de dez anos de trabalho no LHC, nada conclusivo foi encontrado até agora.

Portanto, descobrir uma nova força da natureza seria algo grandioso e poderia finalmente abrir a porta para responder a alguns dos mistérios mais profundos que a ciência moderna enfrenta.

Novos resultados

Embora o resultado tenha sido tentador, não foi conclusivo. Todas as medições vêm com um certo grau de incerteza ou “erro”. Nesse caso, havia apenas uma chance em 1.000 de que o resultado fosse reduzido a uma oscilação estatística aleatória – ou “três sigma”, como dizemos no jargão da física de partículas.

Um em 1.000 pode não parecer muito, mas fazemos um grande número de medições em física de partículas e, portanto, você pode esperar que um pequeno punhado apresente valores discrepantes apenas por acaso.

Para ter certeza de que o efeito é real, precisaríamos chegar a cinco sigma – correspondendo a menos de uma chance em um milhão de o efeito ser reduzido a um cruel acaso estatístico.

Para chegar lá, precisamos reduzir o tamanho do erro e, para isso, precisamos de mais dados. Uma maneira de conseguir isso é simplesmente executar o experimento por mais tempo e registrar mais decaimentos.

O experimento LHCb está sendo atualizado para ser capaz de registrar colisões a uma taxa muito maior no futuro, o que nos permitirá fazer medições muito mais precisas. Mas também podemos obter informações úteis a partir dos dados que já registramos, procurando por tipos semelhantes de decaimentos que são mais difíceis de detectar.

Isso é o que meus colegas e eu fizemos. A rigor, nunca estudamos os decaimentos dos quarks beauty diretamente, uma vez que todos os quarks estão sempre ligados a outros quarks para formar partículas maiores.

O estudo de março analisou quarks beauty combinados com quarks “up”. Nosso resultado estudou dois decaimentos: um em que os quarks beauty que foram emparelhados com quarks “down” e outro onde eles também foram emparelhados com quarks up.

O fato do emparelhamento ser diferente não deveria importar, no entanto – o decaimento que está acontecendo no fundo é o mesmo e, portanto, esperamos ver o mesmo efeito, se realmente houver uma nova força por aí.

E isso é exatamente o que vimos. Desta vez, os decaimentos do múon estavam acontecendo apenas cerca de 70 por cento das vezes que o decaimento do elétron, mas com um erro maior, o que significa que o resultado é cerca de “dois sigma” do modelo padrão (cerca de duas em cem chances de ser uma estatística anômala).

Isso significa que, embora o resultado não seja preciso o suficiente por si só para reivindicar evidências firmes de uma nova força, ele se alinha muito com o resultado anterior e adiciona mais suporte à ideia de que podemos estar à beira de um grande avanço.

Claro, devemos ser cautelosos. Ainda há um caminho a percorrer antes de podermos afirmar com certo grau de certeza que realmente estamos vendo a influência de uma quinta força da natureza.

Meus colegas estão trabalhando duro para extrair o máximo de informações possível dos dados existentes, enquanto se preparam ativamente para a primeira execução do experimento LHCb atualizado.

Enquanto isso, outros experimentos no LHC, bem como no experimento Belle 2 no Japão, estão se aproximando das mesmas medições. É emocionante pensar que nos próximos meses ou anos uma nova janela poderá ser aberta sobre os ingredientes mais fundamentais do nosso Universo.