Ciência Surpreendente

Os cientistas do CERN encontraram evidências de uma nova física?

Estamos cautelosamente otimistas sobre nossas novas descobertas.

VALENTIN FLAURAUD / AFP via Getty Images Quando o gigantesco acelerador do Cern, o Large Hadron Collider (LHC), disparou dez anos atrás, havia muitas esperanças de que novas partículas fossem descobertas em breve que poderiam nos ajudar a desvendar os mistérios mais profundos da física.

Matéria escura, buracos negros microscópicos e dimensões ocultas eram apenas alguns das possibilidades. Mas tirando o descoberta espetacular do bóson de Higgs, o projeto tem falhei em fornecer quaisquer pistas sobre o que pode estar além do modelo padrão de física de partículas , nossa melhor teoria atual do microcosmo.

Então nosso novo papel do LHCb, um dos quatro experimentos gigantes do LHC , é provável que faça o coração dos físicos bater um pouco mais rápido. Depois de analisar trilhões de colisões produzidas na última década, podemos estar vendo evidências de algo totalmente novo - potencialmente o portador de uma nova força da natureza.

Mas a empolgação é temperada por extrema cautela. O modelo padrão resistiu a todos os testes experimentais lançados nele desde que foi montado 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 na menor das escalas, compreendendo partículas fundamentais conhecidos como léptons (como elétrons) e quarks (que podem se unir para formar partículas mais pesadas, como prótons e nêutrons) e as forças com as quais interagem.

Existem muitos tipos diferentes de quarks, alguns dos quais são instáveis e podem se decompor em outras partículas. O novo resultado está relacionado a uma anomalia experimental que foi sugerido pela primeira vez em 2014 , quando os físicos do LHCb avistaram quarks de 'beleza' decaindo de maneiras inesperadas.

Especificamente, os quarks de beleza pareciam decair em léptons chamados de 'múons' com menos frequência do que decaiam em elétrons. Isso é estranho porque o múon é, em essência, uma cópia carbono do elétron, idêntico em todos os aspectos, exceto por ser cerca de 200 vezes mais pesado.

Você esperaria que os quarks de beleza decaíssem em múons com a mesma freqüência que em elétrons. A única maneira pela qual esses decaimentos poderiam acontecer em taxas diferentes é se algumas partículas nunca antes vistas estivessem se envolvendo no decaimento e inclinando a balança contra os múons.

Embora o resultado de 2014 tenha sido intrigante, não foi preciso o suficiente para tirar uma conclusão firme. Desde então, várias outras anomalias surgiram em processos relacionados. Todos eles foram individualmente sutis demais para os pesquisadores terem certeza de que eram sinais genuínos de uma nova física, mas, de maneira tentadora, todos pareciam apontar em uma direção semelhante.

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 o mesma medida da decadência do quark de beleza novamente, mas com dados extras coletados em 2015 e 2016. Mas as coisas não estavam muito mais claras do que cinco anos antes.

Novos resultados

O resultado de hoje duplica o conjunto de dados existente adicionando a amostra registrada em 2017 e 2018. Para evitar a introdução acidental de vieses, os dados foram analisados 'às cegas' - os cientistas não puderam ver o resultado até que todos os procedimentos usados na medição tivessem sido testados e revisado.

Mitesh Patel , um físico de partículas do Imperial College London e um dos líderes do experimento, descreveu a empolgação que sentiu quando chegou o momento de olhar o resultado. 'Eu estava realmente tremendo', disse ele, 'percebi que essa foi provavelmente a coisa mais emocionante que fiz em meus 20 anos na física de partículas.'

Quando o resultado apareceu na tela, a anomalia ainda estava lá - cerca de 85 decaimentos de múons para cada decaimento de 100 elétrons, mas com uma incerteza menor do que antes.

O que entusiasmará muitos físicos é que a incerteza do resultado agora está acima de 'três sigma' - a maneira dos cientistas dizerem que há apenas cerca de uma chance em mil de que o resultado seja um acaso dos dados. Convencionalmente, os físicos de partículas chamam qualquer coisa acima de três sigma de 'evidência'. No entanto, ainda estamos muito longe de uma 'descoberta' ou 'observação' confirmada - que exigiria cinco sigma.

Teóricos mostraram que é possível explicar essa anomalia (e outras) reconhecendo a existência de novas partículas que estão influenciando as maneiras como os quarks decaem. Uma possibilidade é uma partícula fundamental chamada 'Z prime' - em essência, um portador de uma nova força da natureza. Essa força seria extremamente fraca, razão pela qual não vimos nenhum sinal dela até agora, e interagiria com elétrons e múons de forma diferente.

Outra opção é o hipotético ' leptoquark '- uma partícula que tem a capacidade única de se decompor em quarks e leptons simultaneamente e pode ser parte de um quebra-cabeça maior que explica por que vemos as partículas que vemos na natureza.

Interpretando as descobertas

Então, finalmente vimos evidências de uma nova física? Bem, talvez sim, talvez não. Fazemos muitas medições no LHC, então você pode esperar que pelo menos algumas delas caiam tão longe do modelo padrão. E nunca podemos descartar totalmente a possibilidade de que haja algum viés em nosso experimento que não tenhamos considerado adequadamente, embora esse resultado tenha sido verificado de forma extraordinária. No final das contas, a imagem só ficará mais clara com mais dados. O LHCb está atualmente passando por uma grande atualização para aumentar drasticamente a taxa de registro de colisões.

Mesmo se a anomalia persistir, provavelmente só será totalmente aceita quando um experimento independente confirmar os resultados. Uma possibilidade interessante é que possamos detectar as novas partículas responsáveis pelo efeito que está sendo criado diretamente nas colisões no LHC. Enquanto isso, o Experimento Belle 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 é realmente o precursor de algumas novas partículas fundamentais, então será finalmente a descoberta que os físicos têm desejado há décadas.

Teremos finalmente visto uma parte do quadro maior que está além do modelo padrão, o que, em última análise, poderia nos permitir desvendar uma série de mistérios estabelecidos. Isso inclui a natureza da matéria escura invisível que preenche o universo ou a natureza do bóson de Higgs. Pode até mesmo ajudar os teóricos a unificar as partículas e forças fundamentais. Ou, talvez o melhor de tudo, pode estar apontando para algo que nunca sequer consideramos.

Então, devemos estar animados? Sim, resultados como esse não acontecem com muita frequência, a caça definitivamente começou. Mas devemos ser cautelosos e humildes também; reivindicações extraordinárias requerem evidências extraordinárias. Só o tempo e o trabalho duro dirão se finalmente vimos o primeiro vislumbre do que está além de nossa compreensão atual da física de partículas.