LHCb encontra um novo tipo de assimetria matéria-antimatéria

A colaboração do LHCb observou um fenômeno conhecido como violação de CP nos decaimentos de uma partícula conhecida como méson D0 pela primeira vez.

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Uma transformação de simetria CP alterna uma partícula com a imagem espelhada de sua antipartícula. A colaboração do LHCb observou uma quebra desta simetria nos decaimentos do méson D0 (ilustrado pela grande esfera à direita) e sua contraparte de antimatéria, o anti-D0 (grande esfera à esquerda), em outras partículas (esferas menores ). A extensão da ruptura foi deduzida da diferença no número de decaimentos em cada caso (barras verticais, apenas para ilustração). Imagem: CERN.

Publicado no CERN

A colaboração do LHCb no CERN viu, pela primeira vez, a assimetria de matéria-antimatéria conhecida como violação de CP em uma partícula chamada méson D0. A descoberta, apresentada hoje na conferência anual Rencontres de Moriond e em um seminário dedicado do CERN, certamente entrará nos manuais da física de partículas.

“O resultado é um marco na história da física de partículas. Desde a descoberta do méson D há mais de 40 anos, os físicos de partículas suspeitam que a violação de CP também ocorra neste sistema, mas foi apenas agora, usando essencialmente a amostra de dados completa coletada pelo experimento, que a colaboração LHCb finalmente foi capaz de observar o efeito”, disse o Diretor de Pesquisa e Computação do CERN, Eckhard Elsen.

O termo CP se refere à transformação que troca uma partícula com a imagem espelhada de sua antipartícula. As interações fracas do Modelo Padrão da física de partículas são conhecidas por induzir uma diferença no comportamento de algumas partículas e de suas contrapartes CP, uma assimetria conhecida como violação de CP. O efeito foi observado pela primeira vez na década de 1960 no Laboratório Brookhaven, nos EUA, em partículas chamadas mésons neutros K, que contêm um “quark strange” e, em 2001, experimentos no laboratório SLAC nos EUA e no laboratório KEK no Japão também observaram o fenômeno em mésons B neutros, que contêm um “quark bottom”. Essas descobertas levaram à atribuição de dois prêmios Nobel em física, um em 1980 e outro em 2008.

A violação de CP é uma característica essencial do nosso universo, necessária para induzir os processos que, após o Big Bang, estabeleceram a abundância da matéria sobre a antimatéria que observamos no universo atual. O tamanho da violação da CP observada até o momento nas interações do Modelo Padrão, no entanto, é muito pequeno para explicar o atual desequilíbrio entre matéria e antimatéria, sugerindo a existência de fontes adicionais ainda desconhecidas de violação da CP.

O méson D0 é feito de um quark charm e um antiquark up. Até agora, a violação de CP foi observada apenas em partículas contendo um quark strange ou bottom. Estas observações confirmaram o padrão de violação de CP descrito no Modelo Padrão pela chamada matriz Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM), que caracteriza como os quarks de diferentes tipos se transformam uns nos outros através de interações fracas. A origem profunda da matriz CKM e a busca por fontes adicionais e manifestações de violação de CP estão entre as grandes questões abertas da física de partículas. A descoberta da violação de CP no méson D0 é a primeira evidência dessa assimetria para o quark charm, adicionando novos elementos à exploração dessas questões.

Para observar essa assimetria de PC, os pesquisadores do LHCb usaram o conjunto completo de dados fornecidos pelo Large Hadron Collider (LHC) no experimento LHCb entre 2011 e 2018 para procurar decaimentos do méson D0 e sua antipartícula, o anti-D0, em kaons ou pions. “A procura desses dois produtos de decaimento em nossa amostra inédita de partículas D0 nos deu a sensibilidade necessária para medir a pequena quantidade de violação de CP esperada para tais decaimentos. Medir a extensão da violação resumia-se à contagem do D0 e do anti-D0 e tirar a diferença”, explicou Giovanni Passaleva, porta-voz da colaboração do LHCb.

O resultado tem uma significância estatística de 5,3 desvios-padrão, excedendo o limiar de 5 desvios-padrão usados pelos físicos de partículas para reivindicar uma descoberta. Esta medida estimulará um trabalho teórico renovado para avaliar seu impacto na descrição de CKM da violação de CP incorporada ao Modelo Padrão e abrirá a janela para a busca de possíveis novas fontes de violação de CP usando partículas charmed.

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