CERN confirma transformação de partículas ultra-raras, dicas para uma nova física: WebCuriosos

Num colisor de partículas no CERN, um evento raramente visto está a aproximar-nos tentadoramente do limiar de uma nova física.

Após anos de gestão do que é conhecido como Experimento NA62a física de partículas Cristina Lazzeroni, da Universidade de Birmingham, no Reino Unido, e seus colegas estabeleceram, observaram experimentalmente e mediram o decaimento de uma partícula kaon carregada em um píon carregado e um par neutrino-antineutrino. Os pesquisadores apresentaram suas descobertas em um Seminário CERN.

É algo emocionante. A razão pela qual a equipe tem perseguido esse tipo muito específico de canal de decaimento tão incansavelmente por mais de uma década é porque ele é conhecido como canal “dourado”, o que significa que não só é incrivelmente raro, mas também é bem previsto pela complexa matemática. constituindo o Modelo Padrão da física.

Essa raridade e precisão o tornam um medidor altamente sensível para detectar novas físicas. No entanto, foi apenas através da recolha de uma quantidade incrível de dados cobrindo inúmeras colisões de partículas que a equipa pôde confirmar a sua descoberta como precisa, de acordo com o famoso 'cinco sigmas'padrão de certeza estatística.

“Esta difícil análise é o resultado de um excelente trabalho em equipe e estou extremamente orgulhoso deste novo resultado”, Lazzeroni diz.

Kaons consistem em uma combinação de um quark e uma antipartícula de quark diferente ligada à força forte, que decai rapidamente de uma forma bastante única que os físicos descrevem como 'estranho'. Esta estranha característica tornou-os numa ferramenta útil para determinar as regras de como as partículas em geral deveriam comportar-se.

A produção de kaons não é particularmente difícil, se você tiver o equipamento certo. Usando o Super Proton Synchrotron do CERN, os pesquisadores disparam um feixe de prótons de alta energia contra um alvo estacionário de berílio. Isso produz um feixe secundário de cerca de um bilhão de partículas por segundo, das quais cerca de 6% são uma espécie de kaon carregado.

Kaons não têm uma vida útil longa; eles se formam e decaem em um centésimo milionésimo de segundo. Então, nesse feixe secundário, o decaimento do kaon acontece constantemente, geralmente se transformando em um primo superpesado do elétron chamado múon, e um neutrino.

Contudo, em cerca de 13 em cada 100 mil milhões de decaimentos de kaon, o resultado é um antineutrino, um neutrino e uma partícula instável feita de outro sabor de quark e um antiquark chamado píon.

“Kaons e píons são partículas que contêm quarks. O fato de os quarks serem de tipos diferentes (up, down, estranho, charme, beleza, top) é chamado de sabor”, disse Lazzerino ao WebCuriosos.

“A raridade desse decaimento tem a ver com o fato de que nele há uma mudança no sabor do quark que é mediada pelo bóson Z e produz um píon e neutrinos. Isso só pode acontecer com um processo bastante elaborado, daí sua raridade .”

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O volume de decaimentos kaon necessário para observar este processo é astronômico, mas isso não é o fim dos desafios envolvidos. Os neutrinos são notoriamente difíceis de detectar e serão aniquilados com seu parceiro antineutrino quase instantaneamente; para o experimento NA62, os pesquisadores não estão fazendo nenhuma tentativa de detectar o par neutrino e antineutrino.

É apenas o píon carregado, ou 'pi+', que é a agulha, em meio ao enorme palheiro de outros decaimentos carregados de kaon (K+).

“Todos os outros decaimentos de K+ que queremos descartar são chamados de fundo e possuem partículas detectáveis. O desafio é detectar todos deles e sempre, para que quando vemos K+ a pi+ e nada mais, tenhamos certeza de que não perdemos nada e é realmente o sinal”, explicou Lazzerino.

É por isso que, quando a equipe anunciou seu primeiro conjunto de resultados em 2019, eles não estavam exatamente no nível cinco sigma de certeza estatística de que haviam feito sua detecção. Agora, eles atingiram esse limite.

Agora que o canal de decaimento foi estabelecido, os pesquisadores podem prosseguir na busca de quaisquer desvios que possam indicar uma nova física. O número de decaimentos de kaon para píon e neutrino/antineutrino que a equipe observou é maior do que o 8,4 por 100 bilhões previstos pelo Modelo Padrãomas ainda está dentro dos parâmetros de incerteza.

Para encontrar uma nova física, será necessário observar um desvio maior no número de decaimentos.

“O Modelo Padrão tem sido muito bom para prever as observações até agora, mas sabemos que deve ter deficiências. Por exemplo, não inclui um modelo para a matéria escura, e o desequilíbrio matéria-antimatéria é muito pequeno em termos de ordem de magnitude. o que é necessário para representar o Universo Geralmente, esperamos que apareça uma nova física. O que é exatamente, é desconhecido. Mas, de modo geral, esperamos que novas partículas (e forças) estejam presentes”, disse Lazzeroni.

“O NA62 já acumulou mais dados e continuará por mais três anos. Com a totalidade dos dados poderemos estabelecer com alguma precisão se é consistente com o Modelo Padrão.”

Que maravilhosamente emocionante.

A equipe apresentou seus resultados em um seminário do CERN.