Em um colisor de partículas do CERN, um tipo de evento raramente observado está nos colocando de forma tentadora bem perto do limite onde a física conhecida pode deixar de explicar o que vemos.
Depois de anos operando o chamado experimento NA62, a física de partículas Cristina Lazzeroni, da Universidade de Birmingham, no Reino Unido, e os seus colegas conseguiram estabelecer, observar de forma experimental e medir o decaimento de um káon carregado em um píon carregado e um par neutrino–antineutrino. Os pesquisadores apresentaram esses resultados em um seminário do CERN.
O motivo de tanta empolgação é que a equipa vem perseguindo obstinadamente esse canal de decaimento muito específico há mais de uma década: trata-se de um canal “dourado”. Isso significa, ao mesmo tempo, que ele é extraordinariamente raro e que é previsto com grande precisão pela matemática complexa que compõe o Modelo Padrão da física.
Por que o canal “dourado” do NA62 é tão importante
Justamente por combinar raridade e previsão precisa, esse decaimento funciona como um instrumento extremamente sensível para testar a existência de nova física. Ainda assim, apenas reunindo um volume impressionante de dados - cobrindo incontáveis colisões - a equipa conseguiu confirmar o resultado com o famoso padrão estatístico de certeza de “cinco sigma”.
“Esta análise difícil é o resultado de um excelente trabalho em equipa, e estou extremamente orgulhosa deste novo resultado”, diz Lazzeroni.
Káons são formados por uma combinação de um quark e a antipartícula de outro quark, ligados pela força forte, e decaem rapidamente de um modo bastante particular que os físicos descrevem como “estranho”. Essa peculiaridade, há muito tempo, faz deles uma ferramenta útil para determinar as regras de como as partículas, em geral, devem comportar-se.
Como o CERN produz e observa káons carregados (K+)
Produzir káons não é especialmente difícil - desde que se tenha o equipamento adequado. No Síncrotron de Prótons Super (Super Proton Synchrotron) do CERN, os pesquisadores disparam um feixe de prótons de alta energia contra um alvo estacionário de berílio. O resultado é um feixe secundário com cerca de mil milhões de partículas por segundo, do qual aproximadamente 6 por cento corresponde a um tipo de káon com carga elétrica.
Os káons não vivem por muito tempo: eles surgem e decaem em um centésimo de milionésimo de segundo. Por isso, dentro desse feixe secundário, o decaimento de káons acontece o tempo todo, geralmente transformando-se em um primo superpesado do elétron chamado múon, além de um neutrino.
Em cerca de 13 a cada 100 mil milhões de decaimentos de káon, no entanto, o produto final é um antineutrino, um neutrino e uma partícula instável composta por outro “sabor” de quark e um antiquark, chamada píon.
“Káons e píons são partículas que contêm quarks. O facto de os quarks serem de tipos diferentes (cima, baixo, estranho, charme, beleza, topo) é chamado de sabor”, disse Lazzerino ao ScienceAlert.
“A raridade deste decaimento tem a ver com o facto de que, nele, há uma mudança de sabor de quark que é mediada pelo bóson Z e produz um píon e neutrinos. Isto só pode acontecer por meio de um processo bastante elaborado, daí a sua raridade.”
O desafio: encontrar o píon carregado (pi+) sem ver neutrinos
A quantidade de decaimentos de káon necessária para observar esse processo é astronómica, mas as dificuldades não param aí. Neutrinos são notoriamente difíceis de detetar e, além disso, tendem a aniquilar-se com os seus parceiros antineutrinos quase instantaneamente; no experimento NA62, os pesquisadores não tentam detetar diretamente o par neutrino–antineutrino.
O que se procura, na prática, é apenas o píon carregado - o “pi+” - como uma agulha em meio ao enorme palheiro de outros decaimentos de káon carregado (K+).
“Todos os outros decaimentos de K+ que queremos descartar são chamados de fundo, e têm partículas detetáveis. O desafio é detetar todos eles e sempre, para que, quando vemos K+ para pi+ e nada mais, tenhamos certeza de que não perdemos nada e de que é realmente o sinal”, explicou Lazzerino.
É por isso que, quando a equipa divulgou o primeiro conjunto de resultados em 2019, ainda não tinha atingido o patamar de cinco sigma de certeza estatística para afirmar a deteção. Agora, esse nível foi alcançado.
Com o canal de decaimento estabelecido, os pesquisadores podem avançar para o que realmente interessa: procurar quaisquer desvios que apontem para nova física. A quantidade de decaimentos de káon em píon e neutrino/antineutrino observada pela equipa é maior do que os 8.4 por 100 mil milhões previstos pelo Modelo Padrão, mas ainda permanece dentro dos parâmetros de incerteza.
Para chegar a nova física, será preciso observar um desvio maior no número de decaimentos.
“O Modelo Padrão tem sido muito bom em prever as observações até aqui, mas sabemos que ele deve ter limitações. Por exemplo, ele não inclui um modelo para a matéria escura, e o desequilíbrio matéria–antimatéria é muitas ordens de magnitude pequeno demais em relação ao que é necessário para representar o Universo. Em geral, esperamos que apareça nova física. O que é exatamente, é desconhecido. Mas, falando de forma geral, esperamos que novas partículas (e forças) estejam presentes”, afirmou Lazzeroni.
“NA62 já acumulou mais dados e continuará por mais três anos. Com a totalidade dos dados, poderemos estabelecer com alguma precisão se isso é consistente com o Modelo Padrão.”
Que coisa maravilhosamente empolgante.
A equipa apresentou os resultados em um seminário do CERN.
Comentários
Ainda não há comentários. Seja o primeiro!
Deixar um comentário