Um comportamento inesperado no decaimento de partículas parece contradizer as previsões do Modelo Padrão, que, de outra forma, é altamente confiável. Isso pode revelar a existência de forças ou partículas ainda desconhecidas, além da nossa compreensão atual.
Ilustração retirada do Pixabay
Os mésons B são instáveis: existem por apenas uma fração de segundo antes de se transformarem em outras partículas. Ao estudar essas transformações, os pesquisadores esperam detectar a influência de novas forças ou partículas que o Modelo Padrão ignora.
O experimento LHCb no LHC foi projetado especificamente para capturar esses decaimentos raros, registrando bilhões de colisões para encontrar os poucos eventos em que ocorrem decaimentos do tipo "pinguim". Nesses casos, o méson B se transforma em um káon, um píon e dois múons — uma assinatura que é ao mesmo tempo rara e rica em informações. Os ângulos em que essas partículas-filhas se afastam umas das outras fornecem pistas sobre a física subjacente .
Para conduzir essas investigações, o LHC acelera prótons a velocidades próximas à da luz, fazendo com que colidam. Dentre os detectores, o LHCb está em operação desde 1994. Entre 2011 e 2018, o experimento registrou 650 bilhões de decaimentos de mésons B, dos quais os cientistas extraíram eventos raros, semelhantes a pinguins.
A análise se concentrou em um processo eletrofraco no qual um méson B decai em um káon, um píon e dois múons — um decaimento que ocorre apenas uma vez a cada milhão de mésons B. Ao medir com precisão os ângulos e as energias das partículas resultantes, a equipe encontrou uma clara discrepância com as previsões do Modelo Padrão.
No LHC, ímãs curvam prótons em um anel de 27 km, construído sob a fronteira franco-suíça. Crédito: CERN
O desvio medido em relação ao Modelo Padrão chega a quatro desvios padrão. Na prática, há apenas uma probabilidade em 16.000 de que esse resultado seja devido ao acaso, se o Modelo Padrão estiver correto. Os resultados, publicados na Physical Review Letters , são consistentes com os obtidos independentemente por outro experimento do LHC, o CMS. Embora o chamado limiar de "cinco sigmas", que validaria uma descoberta científica , ainda não tenha sido atingido, as evidências combinadas já são convincentes.
Diversos modelos teóricos poderiam explicar a anomalia. Uma ideia popular envolve os leptoquarks, partículas hipotéticas que preenchem a lacuna entre léptons e quarks — as duas famílias da matéria. Outra possibilidade é a existência de versões mais massivas de partículas conhecidas. Os novos dados já restringem esses modelos e orientarão pesquisas futuras.
A colaboração LHCb já começou a analisar novos dados coletados desde 2018. Esse conjunto contém três vezes mais decaimentos de mésons B do que a amostra anterior, fornecendo uma ferramenta poderosa para verificar a anomalia. As análises iniciais estão em andamento e os resultados são esperados nos próximos anos.
Enquanto isso, os físicos estão refinando os cálculos teóricos para melhor compreender a contribuição dos encantadores pinguins. Se a discrepância persistir ou aumentar, fortalecerá a hipótese de física além do Modelo Padrão.
Olhando para o futuro, as atualizações do LHC planejadas para a década de 2030 aumentarão significativamente a taxa de colisões. Espera-se que o experimento LHCb colete um conjunto de dados 15 vezes maior do que o usado no estudo atual. Com essa estatística, a sensibilidade será suficiente para atingir um nível de significância de cinco sigmas, o limiar para uma descoberta. Se a anomalia for confirmada, uma nova era começará em nossa compreensão do infinitamente pequeno.
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