Entre as cadeias caóticas de eventos que se sucedem quando os prótons se esmagam no Large Hadron Collider na Europa, uma partícula apareceu, que parece se fragmentar de uma maneira peculiar.
Todos os olhos estão no méson B, um par de partículas de quarks. Tendo captado cheiros de comportamento inesperado do méson B antes, pesquisadores do experimento de beleza Large Hadron Collider (LHCb) passaram anos documentando eventos de colisão raros com as partículas, na esperança de provar conclusivamente que alguma partícula ou efeito fundamental novo está interferindo com elas.
Em sua análise mais recente, apresentada pela primeira vez em um seminário em março, os físicos do LHCb descobriram que várias medidas envolvendo o decaimento dos mésons B conflitam levemente com as previsões do Modelo Padrão da física de partículas – o conjunto reinante de equações que descrevem o mundo subatômico. Tomadas sozinhas, cada singularidade parece uma flutuação estatística e todas elas podem evaporar com dados adicionais, como aconteceu antes. Mas sua deriva coletiva sugere que as aberrações podem ser migalhas de pão que levam além do Modelo Padrão a uma teoria mais completa.
“Pela primeira vez na minha vida profissional, há uma confluência de diferentes decaimentos que mostram anomalias que coincidem”, disse Mitesh Patel, físico de partículas do Imperial College de Londres que faz parte do LHCb.
O méson B é assim chamado porque contém um quark de fundo, uma das seis partículas fundamentais de quark que representam a maior parte da matéria visível do universo. Por razões desconhecidas, os quarks se dividem em três gerações: pesados, médios e leves, cada um com quarks de carga elétrica oposta. Os quarks mais pesados decaem em suas variações mais leves, quase sempre trocando de carga também. Por exemplo, quando o quark de fundo pesado com carga negativa em um méson B cai uma geração, geralmente se torna um quark de “charme” com peso médio e carga positiva.
A colaboração do LHCb vasculha os destroços dos acúmulos de partículas em busca de exceções a esta regra. Para cada milhão de decaimentos de méson B que eles veem, um evento marginal mostra um quark de fundo rebelde que se metamorfoseou em um quark “estranho”, deixando uma geração de queda, mas mantendo sua carga negativa. O Modelo Padrão prevê a taxa extremamente baixa desses eventos e como eles serão realizados. Mas, por serem tão raros, qualquer ajuste proveniente de partículas ou efeitos não descobertos deve ser óbvio.
A nova análise do LHCb cobriu cerca de 4.500 raros decaimentos de mésons B, duplicando aproximadamente os dados de seu estudo anterior em 2015. Cada transformação termina com quatro partículas de saída atingindo um detector em forma de anel. Quando os experimentalistas compararam os vários ângulos entre as partículas com os ângulos previstos pelo Modelo Padrão, eles encontraram um desvio do padrão esperado. O significado coletivo dos ângulos anômalos cresceu um pouco desde a última análise, e os pesquisadores dizem que as novas medidas também contam uma história mais unificada. “De repente, a consistência entre os diferentes observáveis angulares ficou muito melhor”, disse Felix Kress, pesquisador do LHCb que ajudou a analisar os números.
Estatisticamente, o desvio no padrão angular é equivalente a lançar uma moeda 100 vezes e obter 66 cabeças, em vez dos 50 habituais. Para uma moeda justa, as chances de tal desvio são de aproximadamente 1 em 1.000.
Mas em meio a grandes colisões de partículas, flutuações estatísticas tendem a surgir; portanto, um desvio de 1 em 1.000 não conta como prova concreta de uma ruptura com o Modelo Padrão. Para isso, os físicos precisarão acumular decaimentos de méson B suficientes para demonstrar um desvio de 1 em 1,7 milhão, semelhante ao movimento de 75 cabeças. “Se essa é uma nova física”, disse Jure Zupan, físico teórico da Universidade de Cincinnati, sobre a atualização atual, “não é significativo o suficiente”.
Ainda assim, o padrão observado sugere que algo está errado com os produtos de decaimento do méson B na família lepton, a outra categoria de partículas de matéria além dos quarks. Como os quarks, os leptons ocorrem em gerações pesadas, médias e leves (chamadas partículas de tau, múons e elétrons, respectivamente); o modelo padrão diz que todos são idênticos, exceto a massa. Cada decaimento do méson B termina disparando um par gêmeo de qualquer um dos três tipos de leptons. A atualização mais recente do LHCb se concentrou no padrão angular anômalo produzido por eventos de múons, que são mais fáceis de detectar.
O experimento também registra um número menor de decaimentos do meson B terminando com elétrons. O Modelo Padrão exige que ambos os tipos de decaimento ocorram exatamente da mesma maneira, mas uma análise de 2014 da equipe do LHCb descobriu uma possível diferença entre os eventos do múon e os eventos dos elétrons. Em conjunto, as anomalias podem significar que a novidade pode estar não apenas nos múons, mas também nos elétrons.
O grupo de Patel está atualmente trabalhando em uma atualização para a medição de elétron versus múon, que ele disse ser uma observação muito mais “limpa”, inequívoca do que apenas as medidas do ângulo do múon. “Este é um assassino do modelo padrão”, disse ele.
Se as anomalias do méson B são reais, os físicos têm duas teorias principais para explicá-las.
Uma nova partícula hipotética portadora de força chamada bóson Z’ se pareceria com a força fraca padrão que transforma uma partícula de matéria em outra, exceto que influenciaria elétrons e múons de maneira diferente. Como bônus, o bóson Z’ também implicaria a existência de uma partícula maciça adicional que poderia compor a matéria escura que faltava no universo. “Estamos avançando para o próximo passo, que está tentando não apenas explicar a anomalia, mas conectá-la a outros problemas”, disse Joaquim Matias, físico teórico da Universidade Autônoma de Barcelona.
A possibilidade mais exótica é que os pesquisadores do LHCb estejam detectando indícios de uma partícula lendária – o leptoquark – que pode transformar um quark em lepton e vice-versa. Os teóricos há muito contemplam a possibilidade de leptoquarks, mas a idéia se tornou menos popular à medida que os experimentos descartavam os tipos mais simples. Ainda assim, a árvore genealógica quark de três gerações se parece com a árvore genealógica lepton, e nenhum padrão é bem compreendido. Os mésons B em decomposição podem revelar um vínculo de leptoquark entre eles. “Esse é o sonho”, disse Zupan.
À medida que os teóricos consideram essas possibilidades, a equipe do LHCb terá que ver se consegue virar cabeças suficientes para provar que sua moeda definitivamente não é padrão – um empreendimento que pode levar o resto da década.
Por fim, no entanto, a comunidade de física de partículas aguarda a confirmação de um aparelho diferente, como o experimento Belle II no Japão ou um dos dois principais detectores do LHC. Provar ou eliminar as anomalias do méson B será uma tarefa hercúlea, mas os pesquisadores têm todas as ferramentas necessárias. “Com quatro experimentos que podem ser úteis”, disse Zupan, “o futuro é brilhante”.
Publicado em 26/05/2020 21h18
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