Descobertas recentes de pesquisas que temos realizado no Grande Colisor de Hádrons (LHC) no Cern, em Genebra, sugerem que podemos estar nos aproximando de sinais de física não descoberta.
Se confirmadas, estas sugestões derrubariam a teoria, chamada Modelo Padrão, que dominou a física de partículas durante 50 anos. As descobertas sugerem a maneira como partículas subatômicas específicas se comportam em o LHC discorda do Modelo Padrão.
Partículas fundamentais são os blocos de construção mais básicos da matéria – partículas subatômicas que não podem ser divididas em unidades menores. As quatro forças fundamentais – gravidade, eletromagnetismo, força fraca e força forte – governam a forma como essas partículas interagem.
O LHC é um acelerador de partículas gigante construído num túnel round de 27 km de comprimento sob a fronteira franco-suíça. Seu principal objetivo é encontrar rachaduras em o modelo padrão.
Esta teoria é a nossa melhor compreensão das partículas e forças fundamentais, mas sabemos que não pode ser toda a história. Não explica a gravidade ou a matéria escura – o tipo de matéria invisível, até agora não medida, que constitui aproximadamente 25% do universo.
No LHC, feixes de partículas de prótons viajando em direções opostas colidem, numa tentativa de descobrir indícios de física ainda não descoberta. Os novos resultados vêm LHCbum experimento no Giant Hadron Collider onde essas colisões são analisadas.
O resultado vem do estudo do decaimento – uma espécie de transformação – de partículas subatômicas chamadas mésons B. Nós investigamos como esses Mésons B decaem em outras partículas, descobrindo que a maneira explicit como isso acontece discorda das previsões do Modelo Padrão.
Uma teoria elegante
O Modelo Padrão baseia-se em dois dos avanços mais transformadores do século XX na física; mecânica quântica e relatividade especial de Einstein.
Os físicos podem comparar medições feitas em instalações como o LHC com previsões baseadas no Modelo Padrão para testar rigorosamente a teoria.
Apesar de sabermos que o Modelo Padrão está incompleto, em mais de 50 anos de testes cada vez mais rigorosos, os físicos de partículas ainda não encontraram uma falha na teoria. Isto é, potencialmente, até agora.
Nossa medição, aceito para publicação em Cartas de revisão físicaapresenta uma tensão de quatro desvios padrão em relação às expectativas do Modelo Padrão.
Em termos do mundo actual, isto significa que, depois de considerar as incertezas dos resultados experimentais e das previsões teóricas, há apenas uma probabilidade em 16.000 de que uma flutuação aleatória nos dados neste extremo ocorra se o Modelo Padrão estiver correcto.
Embora isso fique aquém do padrão-ouro da ciência – o que é conhecido como cinco sigmasou cinco desvios padrão (cerca de uma probabilidade em 1,7 milhões) – as provas estão a começar a aumentar. Somando-se a esta narrativa convincente estão os resultados de uma pesquisa independente Experimento LHC, CMSque foram publicados no início de 2025.
Embora os resultados do CMS não sejam tão precisos como os do LHCb, eles concordam bem, fortalecendo o argumento. Nossos novos resultados foram encontrados em um estudo de um tipo específico de processo, conhecido como decaimento eletrofraco do pinguim.
Eventos raros
O termo “pinguim” refere-se a um tipo específico de decaimento (transformação) de partículas de vida curta. Neste caso estudamos como o Méson B decai em quatro outras partículas subatômicas – um kaon, um píon e dois múons.
Com alguma imaginação, pode-se visualizar o arranjo das partículas envolvidas como se fosse um pinguim. Crucialmente, as medições deste decaimento permitem-nos estudar como um tipo de partícula basic, um quark bonito, pode transformar-se noutra, o quark estranho.
Este decaimento do pinguim é incrivelmente raro no Modelo Padrão: para cada milhão de mésons B, apenas um decairá desta maneira. Analisamos cuidadosamente os ângulos e as energias em que essas partículas são produzidas no decaimento e determinamos com precisão a frequência com que o processo ocorre. Descobrimos que nossas medições dessas quantidades discordam das previsões do Modelo Padrão.
Investigações precisas de decaimentos como este são um dos objetivos principais do experimento LHCb, e têm sido assim desde o seu início em 1994. Os processos Penguin são exclusivamente sensíveis aos efeitos de novas partículas potencialmente muito pesadas que não podem ser criadas diretamente no LHC.
Tais partículas ainda podem exercer uma influência mensurável sobre esses decaimentos sobre a pequena contribuição do Modelo Padrão. Este tipo de observação indireta não é nova. Por exemplo, a radioatividade foi descoberta 80 anos antes das partículas fundamentais responsáveis por ela (os bósons W) serem vistas diretamente.
Direções futuras
Os nossos estudos de processos raros permitem-nos explorar partes da natureza que, de outra forma, só poderiam tornar-se acessíveis através de colisores de partículas planeados para a década de 2070. Há uma ampla gama de novas teorias potenciais que podem explicar nossas descobertas. Muitos contêm novas partículas chamadas “leptoquarks” que unem os dois tipos diferentes de matéria: “léptons” e “quarks”.
Outras teorias potenciais contêm partículas que são análogas mais pesadas daquelas já encontradas no Modelo Padrão. Os novos resultados restringem a forma desses modelos e direcionarão futuras pesquisas sobre eles.
Apesar do nosso entusiasmo, permanecem questões teóricas em aberto que nos impedem de afirmar definitivamente que a física além do Modelo Padrão foi observada. A questão mais séria surge dos chamados “pinguins encantadores”, um conjunto de processos presentes no Modelo Padrão, cujas contribuições são extremamente difíceis de prever. Estimativas recentes destes encantadores pinguins sugerem que os seus efeitos não são suficientemente grandes para explicar os nossos dados.
Além disso, uma combinação de um modelo teórico e dados experimentais do LHCb sugere que os encantadores pinguins (e, portanto, o Modelo Padrão) lutam para explicar os resultados anómalos.
Novos dados já recolhidos permitir-nos-ão confirmar a situação nos próximos anos: no nosso trabalho atual estudámos aproximadamente 650 mil milhões de decaimentos de mesões B registados entre 2011 e 2018 para encontrar estes decaimentos de pinguins. Desde então, o experimento LHCb registrou três vezes mais mésons B.
Mais avanços estão planejados para a década de 2030 para explorar atualizações futuras ao LHC e acumular um conjunto de dados 15 vezes maior novamente. Este passo last permitirá que sejam feitas afirmações definitivas, potencialmente desbloqueando uma nova compreensão de como o universo funciona ao nível mais elementar.