Novos resultados do LHC sugerem uma nova física… mas estamos chorando lobo?
A colaboração do LHCb é muito menos famosa do que o CMS ou o ATLAS, mas as partículas que contêm o quark bottom que eles produzem contêm novas pistas físicas que os outros detectores não podem sondar. Crédito da imagem: colaboração CERN / LHCb.
Querer que haja algo além do modelo padrão pode estar influenciando o que realmente investigamos.
Nos últimos anos, várias novas partículas foram descobertas que atualmente são consideradas elementares, ou seja, essencialmente sem estrutura. A probabilidade de que todas essas partículas sejam realmente elementares torna-se cada vez menor à medida que seu número aumenta. Não é certo que nucleons, mésons, elétrons, neutrinos sejam todos partículas elementares. – Enrico Fermi
No Grande Colisor de Hádrons do CERN, as partículas são aceleradas para as maiores energias que já alcançaram na história. Nos detectores CMS e ATLAS, novas partículas fundamentais são continuamente procuradas, embora apenas o bóson de Higgs tenha chegado. Mas em um detector muito menos conhecido – LHCb – partículas contendo quarks bottom são produzidas em números tremendos. Uma classe dessas partículas, pares quark-antiquark onde um é um quark bottom, foi recentemente observada a decair de uma forma que contraria as previsões do Modelo Padrão. Mesmo que a evidência não seja muito boa, é a maior dica para a nova física que tivemos de aceleradores em anos.
Um méson B em decomposição, como mostrado aqui, pode decair com mais frequência para um tipo de par de léptons do que para o outro, contrariando as expectativas do Modelo Padrão. Crédito da imagem: colaboração KEK / BELLE.
Existem duas maneiras, ao longo da história, de termos feito avanços extraordinários na física fundamental. Uma é quando um fenômeno inexplicável e robusto aparece e somos compelidos a repensar nossa concepção do Universo. A outra é quando explicações múltiplas, concorrentes, mas até então indistinguíveis do mesmo conjunto de observações são submetidas a um teste crítico, onde apenas uma explicação emerge como válida. A física de partículas está em uma encruzilhada agora, porque, embora existam questões fundamentalmente não resolvidas, as escalas de energia que podemos investigar com experimentos fornecem resultados perfeitamente alinhados com o Modelo Padrão.
A descoberta do bóson de Higgs no canal di-fóton (γγ) no CMS. Essa 'colisão' nos dados é uma nova partícula inequívoca: o Higgs. Crédito da imagem: Colaboração CERN/CMS.
O bóson de Higgs, descoberto no início desta década, foi criado repetidamente no LHC, com seus decaimentos medidos em detalhes excruciantes. Se houvesse alguma sugestão de desvio do Modelo Padrão – se ele decaísse em um tipo de partícula com mais ou menos frequência do que o previsto – poderia ser uma dica extraordinária de nova física. Da mesma forma, os físicos procuram exaustivamente por novos solavancos onde não deveria haver nenhum nos dados: um sinal de uma nova partícula em potencial. Embora aparecessem periodicamente, com algum significado leve, sempre iam embora inteiramente com mais e melhores dados.
Os canais de decaimento de Higgs observados versus o acordo do Modelo Padrão, com os dados mais recentes do ATLAS e do CMS incluídos. O acordo é surpreendente, mas há outliers (o que é esperado) quando as barras de erro são maiores. Crédito da imagem: André David, via Twitter.
Estatisticamente, isso é o que você esperaria. Se você tivesse uma moeda honesta e a jogasse 10 vezes, poderia esperar que obteria 5 caras e 5 coroas. Embora isso seja razoável, às vezes você obtém 6 e 4, às vezes obtém 8 e 2 e às vezes obtém 10 e 0, respectivamente. Se você obteve 10 caras e 0 coroas, você pode começar a suspeitar que a moeda não é justa, mas as chances não são tão ruins: cerca de 0,2% das vezes, você terá todos os dez lançamentos dando o mesmo resultado. E se você tiver 1.000 pessoas jogando uma moeda dez vezes, é muito provável (86%) que pelo menos uma delas obtenha o mesmo resultado todas as dez vezes.
Jogar uma moeda dez vezes e obter o mesmo resultado todas as vezes pode parecer um resultado muito improvável, mas se você tivesse 1.000 pessoas realizando esse experimento, há uma chance de 86% de que pelo menos uma pessoa veja exatamente isso. Crédito da imagem: Nicu Buculei / flickr.
O Modelo Padrão faz previsões para muitas quantidades diferentes – taxas de produção de partículas, amplitudes de espalhamento, probabilidades de decaimento, taxas de ramificação, etc. – para cada partícula (fundamental e composta) que pode ser criada. Literalmente, existem centenas dessas partículas compostas que foram criadas em tais números, e milhares de quantidades como essa que podemos medir. Como analisamos todos eles, exigimos um nível extremamente alto de significância estatística antes de estarmos dispostos a reivindicar uma descoberta. Na física de partículas, as chances de um golpe de sorte precisam ser inferiores a um em três milhões para chegar lá.
O modelo padrão calculou as previsões (os quatro pontos coloridos) e os resultados do LHCb (preto, com barras de erro) para as razões elétron/pósitron para múon/antimúon em duas energias diferentes. Crédito da imagem: Colaboração LHCb / Tommaso Dorigo.
No início desta semana, a colaboração do LHCb anunciou seu maior afastamento já observado do Modelo Padrão: uma diferença na taxa de decaimento de mésons contendo quarks bottom em mésons contendo quarks estranhos com um par múon-antimúon ou um par de elétrons. pares de pósitrons. No Modelo Padrão, as razões devem ser 1,0 (uma vez que as diferenças de massa de múons e elétrons são levadas em conta), mas observaram uma razão de 0,6 . Isso com certeza soa como um grande negócio, e como se pudesse ser uma dica de física além do Modelo Padrão!
As partículas e antipartículas conhecidas do Modelo Padrão foram todas descobertas. Tudo dito, eles fazem previsões explícitas. Qualquer violação dessas previsões seria um sinal de nova física, que estamos procurando desesperadamente. Crédito da imagem: E. Siegel.
O caso fica ainda mais forte quando você considera que a colaboração BELLE, na década passada, descobriu esses decaimentos e começou a notar uma ligeira discrepância. Mas uma inspeção mais detalhada dos dados mais recentes mostra que a significância estatística é de apenas 2,4 e 2,5 sigma, respectivamente, nas duas energias medidas. Isso é cerca de 1,5% de chance de um acaso isolado, ou cerca de 3,7 sigma de significância (0,023% de chance de um acaso) combinado. Agora, 3,7 sigma é muito mais empolgante do que 2,5 sigma, mas ainda não é empolgante o suficiente. Dado que havia milhares de coisas que esses experimentos analisaram, esses resultados mal registram como sugestivos de nova física, muito menos como evidências convincentes.
Os saltos de difótons ATLAS e CMS de 2015, exibidos juntos, claramente correlacionados a ~750 GeV. Esse resultado sugestivo foi significativo em mais de 3 sigma, mas desapareceu inteiramente com mais dados. Crédito da imagem: CERN, colaborações CMS/ATLAS; Matt Strasler.
No entanto, já, na última quarta-feira, lá eram seis novo papéis Fora (com mais certeza vindo) tentando usar a física além do Modelo Padrão para explicar esse resultado nem mesmo promissor.
Por quê?
Porque, francamente, não temos boas ideias. Supersimetria, grande unificação, teoria das cordas, tecnicolor e dimensões extras, entre outras, foram as principais extensões do Modelo Padrão, e colisores como o LHC não forneceram absolutamente nenhuma evidência para nenhum deles. Sinais de experimentos diretos para física além do Modelo Padrão produziram resultados completamente consistentes apenas com o Modelo Padrão. O que estamos vendo agora é corretamente chamado de perseguição de ambulância , mas é ainda pior do que isso.
As partículas do Modelo Padrão e suas contrapartes supersimétricas. Cientistas americanos não brancos têm sido fundamentais no desenvolvimento do Modelo Padrão e suas extensões. Crédito da imagem: Claire David.
Sabemos que resultados como esse têm um histórico de não se sustentar; nós esperar que haja flutuações como essa nos dados, e essa nem é tão significativa quanto as outras que saíram com mais e melhores dados. Você espera uma discrepância de 2 sigma em uma em cada 20 medições que você faz, e essas duas são um pouco melhores que isso. Mesmo combinados, eles dificilmente são impressionantes, e as outras coisas que você buscaria medir sobre esse decaimento se alinham perfeitamente com o Modelo Padrão. Em suma, é muito mais provável que o Modelo Padrão se mantenha mais uma vez e dados melhores cheguem.
A paisagem das cordas pode ser uma ideia fascinante cheia de potencial teórico, mas não prevê nada que possamos observar em nosso Universo. Crédito da imagem: Universidade de Cambridge.
O que estamos vendo agora é uma resposta da comunidade que esperávamos para um alarme que grita Lobo! Pode haver algo fantástico e impressionante por aí, e é claro que temos que procurar. Mas sabemos que, em mais de 99% das vezes, um alarme como este é apenas o resultado de como o vento sopra. Os físicos estão tão entediados e tão sem ideias boas e testáveis para estender o Modelo Padrão – ou seja, o Modelo Padrão é tão enlouquecedoramente bem-sucedido – que mesmo um resultado insignificante como esse é suficiente para mudar a direção teórica do campo.
Algumas semanas atrás, o famoso físico (e defensor da supersimetria) John Ellis fez a pergunta: Para onde está indo a Física de Partículas? A menos que os experimentos possam gerar resultados novos e inesperados, a resposta provavelmente não será nova; nada bom para o futuro indefinido.
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