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Físicos estão intrigados com resultados não explicados no maior colisor de partículas do mundo

Descoberta contraria teorias bem estabelecidas sobre comportamento de partículas. Mas resultados ainda são polêmicos
Visualização de discrepância no comportamento de eletrons e muons em colisor de partículas que intriga físicos

Uma visualização do decaimento muito raro de um méson da beleza, conforme observado pelo experimento LHCb. Crédito: CERN

Se a beleza está nos olhos de quem vê, então considere um novo resultado tentador que está mexendo com os físicos de partículas do mundo. Mais especificamente, os cientistas estão interessados ​​em dados recentes do detector LHCb (Large Hadron Collider beauty), um experimento que estuda os decaimentos dos mésons B – partículas que contêm quarks do tipo beauty (beleza). Durante uma sessão virtual da conferência anual Rencontres de Moriond, na terça-feira, quase mil físicos assistiram enquanto os membros da colaboração LHCb anunciava evidências de uma discrepância não explicada no comportamento dos elétrons e de seus primos mais pesados, os múons.

De acordo com o Modelo Padrão de partículas – a teoria que descreve as partículas elementares e as forças a que obedecem, exceto a gravidade – as partículas classificadas como léptons, como os elétrons e os múons, são idênticos, exceto por sua massa. Desta forma, os mésons B deveriam decair de forma a dar origem a um káon e dois múons na mesma taxa em que decaem para formar um káon e dois elétrons. No entanto, o LHCb está vendo uma diferença nesses decaimentos: o decaimento dos mésons B para múons parece ocorrer com frequência 15% inferior do que o decaimento para elétrons.

“Esta nova medição é certamente intrigante”, diz Monika Blanke, uma física teórica do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, na Alemanha, que não estava envolvida com a nova pesquisa. “Se eventualmente for confirmada experimentalmente, então realmente existe algo além do Modelo Padrão que trata as variedades de lépton de forma diferente.”

Os físicos há muito se perguntam se múons, elétrons e outros léptons possuem diferenças além de sua massa; o mais recente resultado do LHCb sugere que a resposta pode ser sim. A descoberta tem uma significância estatística de 3,1 sigma, que atende as exigências  para evidências na física de partículas. Falando com mais precisão, 3,1 sigma significa que, na ausência de um fator físico desconhecido,  as flutuações estatísticas ainda levariam os pesquisadores a ver uma discrepância de 15%  ou mais uma vez entre elétrons e múons a cada 740 vezes que o experimento for realizado. Embora esse dado  pareça sugerir que a discrepância múon-elétron observada é, quase com certeza,  mais do que uma miragem, o efeito 3 sigma na verdade, está bem abaixo do padrão ouro da descoberta em física de partículas, que é de 5 sigma. Uma precisão dessa ordem implica que, para observar por acaso estatístico uma discrepância de 15%, seria preciso executar o experimento 3,4 milhões de vezes. (Esses números são sutilmente diferentes, porém de forma significativa, de possuir uma chance em 740, ou uma em 3,4 milhões, de se estar errado.)

Por que tanto alarido sobre estatísticas? No LHCb e em outros experimentos, várias discrepâncias de dois e três sigma entre elétrons e múons surgiram ao longo dos anos. Mas até agora, nenhum desses resultados se sustentou: uma vez que mais dados foram coletados, as diferenças entre os léptons desapareceram, e o Modelo Padrão seguiu vitorioso. 

“Se fosse apenas uma linha de evidências, não ficaria muito animado. Já vi outras anomalias desaparecerem ”, diz Gino Isidori, um físico teórico da Universidade de Zurique, que não participou da pesquisa. Mas ele está animado com o resultado mais recente do LHCb porque ele segue um padrão de outras medições que também sugerem diferenças entre elétrons e múons. Para Isidori e outros físicos de partículas, isso é motivo suficiente para uma excitação cautelosa.

Que beleza 

Localizado na fronteira da França e da Suíça, o LHCb é um dos muitos detectores ao longo do loop de 17 milhas do Large Hadron Collider (LHC). Embora o LHCb também analise os resultados das colisões próton-próton, seu foco está em decaimentos extremamente raros, como os de mésons B.

“Decaimentos raros são uma maneira diferente de tentar encontrar partículas pesadas”, diz Patrick Koppenburg, físico de partículas do LHCb. Em vez de apenas esmagar prótons e procurar por sinais de uma nova partícula nos detritos, como o LHC fez em sua busca violenta pelo bóson de Higgs, o LHCb analisa pequenas variações em eventos que são raríssimos. Ou seja, um decaimento raro de um meson B não produz diretamente novas partículas – múons e kaons são conhecidos  – mas a taxa em que o decaimento acontece pode depender de partículas pesadas, ainda não vistas, que “nos bastidores” influenciem  o resultado. Na década de 1960, por exemplo,  decaimentos raros de káons sugeriram a existência do quark charme antes que ele fosse descoberto diretamente. O LHCb foi projetado para encontrar essas agulhas do palheiro. Mesmo assim, o trabalho é difícil e cheio de incertezas experimentais.

Depois, há também incertezas teóricas a serem consideradas: as previsões do Modelo Padrão com as quais os pesquisadores comparam seus resultados. Parte da empolgação em torno do último resultado do LHCb é que o decaimento específico do meson B é “limpo” – ele tem uma incerteza teórica muito pequena. Eliminar uma fonte de erro torna muito mais fácil verificar se a diferença entre elétrons e múons é genuína.

Desde o início do Modelo Padrão, na década de 1970, físicos teóricos têm proposto modelos que expliquem essa diferença postulando  uma nova partícula. Dois dos principais candidatos são o Z ‘(pronuncia-se “zee prime”) – uma variação do bóson Z existente – e o leptoquark, uma partícula que ligaria léptons e quarks. Nos próximos dias e semanas, os teóricos usarão o resultado mais recente para atualizar seus modelos – e, de fato, três artigos já em pré-impressão foram divulgados em menos de 24 horas após o anúncio dos resultados do LHCb.

Mas a física desse decaimento raro está longe de ser estabelecida, e muito mais dados são necessários antes que uma nova partícula possa ser apontada. A melhor opção de corroboração será o Belle II, um experimento japonês. Mikihiko Nakao, uma pesquisadora envolvida no Belle II, estima que levará  cerca de cinco anos para alcançar a sensibilidade do LHCb.

Atualmente, o LHCb está desligado para manutenção. Mas quando ele for reaberto no próximo ano, acrescido de um detector atualizado, ele poderá dobrar todos os dados coletados na última década em apenas um ano, de acordo com Koppenburg. Em abril, os resultados do Muon g-2, um experimento que faz parte do  Laboratório Nacional do Acelerador Fermi em Batavia, Illinois, também podem lançar luz sobre as diferenças entre os léptons.

Os físicos estão cientes de que este último resultado – um aumento nos dados – é muito possivelmente apenas uma flutuação estatística. Tendo se decepcionado várias vezes no passado, eles agora têm o cuidado de limitar suas apostas, e tentam evitar transmitir certeza ou exageros indevidos.

Mas se for real – bem, isso seria lindo.

 

Daniel Garisto

 

Publicado em 24/03/2021

 

 

 

 

 

 

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