Os cientistas podem ter encontrado no CERN uma nova força da natureza

Scientists at Cern may have stumbled upon a new force of nature

Quando o acelerador gigante do CERN, o Large Hadron Collider, lançado há dez anos, se multiplicaram as esperanças de que em breve seriam descobertas novas partículas que poderiam nos ajudar a desvendar os mistérios mais profundos da física. Matéria escura, buracos negros microscópicos e dimensões ocultas Eles eram apenas alguns Das possibilidades. Mas independentemente Uma descoberta incrível Do bóson de Higgs, o projeto tem Falhar em Forneça pistas sobre o que pode estar por trás O modelo padrão da física de partículasNossas melhores teorias atuais sobre o pequeno universo.

Então nós temos Novo papel Do LHCb, Um dos quatro experimentos gigantes do Grande Colisor de Hádrons, Provavelmente faria o coração dos físicos bater um pouco mais rápido. Depois de analisar os trilhões de colisões que ocorreram na última década, podemos ver evidências de algo inteiramente novo – potencialmente o portador de uma força inteiramente nova da natureza.

Mas o entusiasmo é temperado por extrema cautela. O Modelo Padrão resistiu a todos os testes experimentais feitos nele desde que foi compilado na década de 1970, portanto, afirmar que estamos finalmente vendo algo que ele não pode explicar requer evidências extraordinárias.

Estranha anomalia

O Modelo Padrão descreve a natureza nas menores escalas, incl Partículas fundamentais Eles são conhecidos como léptons (como elétrons) e quarks (que podem se combinar para formar partículas mais pesadas, como prótons e nêutrons) e as forças que interagem com eles.

Existem muitos tipos diferentes de quarks, alguns dos quais são instáveis ​​e podem se decompor em outras partículas. A nova descoberta está relacionada à anomalia experimental que foi Foi sugerido pela primeira vez em 2014 Quando os físicos do LHCb descobriram que os quarks de “beleza” decaem de maneiras inesperadas.

Especificamente, os quarks de beleza pareciam decair em léptons chamados de “múons” com menos frequência do que em elétrons. Isso é estranho porque o múon é essencialmente uma cópia carbono do elétron, idêntico em tudo, exceto que é cerca de 200 vezes mais pesado.

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Você pode esperar que os quarks de beleza decaiam em múons, assim como faria com os elétrons. A única maneira pela qual essas deflexões poderiam ocorrer em taxas diferentes é se algumas partículas sem precedentes estivessem envolvidas no decaimento e na flutuação das escalas contra os múons.

Embora o resultado de 2014 tenha sido interessante, não foi preciso o suficiente para chegar a uma conclusão conclusiva. Desde então, várias outras anomalias surgiram em processos relacionados. Eles eram individualmente tão precisos que os pesquisadores não podiam ter certeza de que eram verdadeiros marcadores da nova física, mas, de maneira intrigante, todos pareciam apontar em uma direção semelhante.

Experiência LHCb. Crédito da imagem: Cern

A grande questão era se essas anomalias ficariam mais fortes à medida que mais dados fossem analisados ​​ou se dissolvessem em nada. Em 2019, o LHCb realizou A mesma medida O quark de beleza decai novamente, mas com dados adicionais obtidos em 2015 e 2016. Mas as coisas não estavam muito mais claras do que há cinco anos.

Novos resultados

O resultado de hoje dobra o conjunto de dados atual adicionando a amostra registrada em 2017 e 2018. Para evitar vieses acidentais, os dados foram analisados ​​”cegamente” – os cientistas não podiam ver o resultado até que todos os procedimentos usados ​​na medição fossem testados e revisados.

Mitch PatelUm físico de partículas do Imperial College London e um dos pioneiros do experimento descreveu a empolgação que sentiu quando chegou a hora de ver o resultado. “Na verdade, eu estava tremendo”, disse ele, “percebi que essa foi provavelmente a coisa mais empolgante que fiz em meus 20 anos na física de partículas.”

Quando o resultado apareceu na tela, a anomalia ainda estava lá – cerca de 85 múons decaem por 100 elétrons, mas com menos incerteza do que antes.

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O que entusiasmará muitos físicos é que a incerteza no resultado agora é mais do que “três sigma” – a maneira dos cientistas dizerem que há apenas uma chance em mil de que o resultado seja uma coincidência aleatória dos dados. Tradicionalmente, os físicos de partículas chamam qualquer coisa mais do que três sigma de “guia”. No entanto, ainda estamos longe de uma “descoberta” ou “observação” comprovada – que requer cinco sigma.

Os teóricos mostraram que essa anomalia (e outras) pode ser explicada pelo reconhecimento da presença de partículas completamente novas que influenciam as maneiras como os quarks decaem. Uma possibilidade é uma partícula fundamental chamada “Z Prime” – que é, em essência, um portador de uma força natural inteiramente nova. Essa força será muito fraca, por isso não vimos nenhum sinal dela ainda, e ela interagirá com elétrons e múons de maneira diferente.

Outra opção é o padrão.Leptocarc“ – uma partícula com a capacidade única de decair em quarks e leptons simultaneamente e pode ser parte de um quebra-cabeça maior que explica por que vemos partículas que criamos na natureza.

interpretação de resultados

Finalmente vimos evidências de uma nova física? Bem, talvez sim, talvez não. Fazemos muitas das medições no LHC, então você pode esperar que pelo menos algumas delas estejam longe do modelo padrão. E nunca podemos descartar a possibilidade de que haja algum viés em nossa experiência que não explicamos adequadamente, embora esse resultado tenha sido examinado com extraordinária precisão.

No final das contas, a imagem ficará mais nítida com mais dados. O LHCb está atualmente passando por uma grande atualização para aumentar drasticamente a taxa de registro de colisão.

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Mesmo se a anomalia persistir, provavelmente será totalmente aceita assim que um estudo independente confirmar os resultados. Uma possibilidade interessante é que possamos descobrir as novas partículas responsáveis ​​pelo efeito sendo criado diretamente nas colisões no LHC. Enquanto isso, o Belle Experience II No Japão, deve ser capaz de fazer medições semelhantes.

O que, então, isso poderia significar para o futuro da física fundamental? Se o que estamos vendo realmente é um prenúncio de algumas novas partículas fundamentais, será finalmente a descoberta que os físicos almejam há décadas.

Teremos finalmente visto uma parte da imagem maior que está fora do Modelo Padrão, o que pode nos permitir revelar qualquer número de quebra-cabeças específicos. Isso inclui a natureza da matéria escura invisível que preenche o universo ou a natureza do bóson de Higgs. Pode até ajudar os teóricos a unificar partículas e forças fundamentais. Ou, talvez o melhor de tudo, pode se referir a algo em que nunca tínhamos pensado.

Então, devemos estar animados? Sim, resultados como este não acontecem com frequência, a perseguição está definitivamente em andamento. Mas também devemos ser cautelosos e humildes; Alegações incomuns exigem evidências extraordinárias. Somente o tempo e o trabalho árduo determinarão se finalmente vimos o primeiro vislumbre do que está por trás de nossa compreensão atual da física de partículas.

Harry Cliff Ele é um físico de partículas e Volumes de Paula Alvarez Professor de física de partículas na Universidade de Cambridge.

Konstantinos Alexandros Petridis Professor Sênior de Física de Partículas na Universidade de Bristol.

Este artigo apareceu pela primeira vez em Conversação.

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