Sinais de uma "nova física" apareceram em dois experimentos importantes. O Colisor de Hádrons Tevatron registrou partículas onde elas não deveriam estar, e o experimento espacial PAMELA encontrou traços da decomposição das partículas de matéria escura. Ambos os fatos se encaixam bem na teoria de que a "força negra" existe
Enquanto o Large Hadron Collider (LHC) se prepara para reparos após um grande acidente em setembro, o americano Tevatron, que sobreviveu aos últimos meses como o acelerador mais poderoso do planeta, apresentou aos físicos uma surpresa inesperada. No final da semana passada, colaboradores da colaboração do CDF trabalhando no detector de partículas de Tevatron gigante de mesmo nome publicaram uma pré-impressão descrevendo algo que vai além do modelo padrão quase sagrado de partículas elementares para físicos.
Se esse sinal não for um efeito de fundo inexplicável, essa descoberta será a primeira evidência terrena das limitações do modelo padrão.
Terrestre no sentido de que os astrofísicos conhecem há muito a matéria escura e a energia escura, que também não se encaixam no modelo padrão. É verdade que praticamente nada se sabe sobre as propriedades das partículas que constituem a matéria escura.
Tevatron e múons extras
Com o detector CDF, os físicos estudam as partículas produzidas pela colisão de prótons - partículas carregadas positivamente que compõem todos os núcleos atômicos, e antiprótons - seus antípodas carregados negativamente. No acelerador Tevatron, como o próprio nome sugere, essas partículas são aceleradas a energias de quase 1 TeV, ou 1000 GeV - mil bilhões de elétron-volts, e a energia de colisão é, portanto, quase 2.000 GeV, o que torna possível criar uma variedade de, mesmo muito massiva partículas elementares.
No entanto, nem mesmo é possível fixar simplesmente a existência da maioria das partículas de interesse. Como regra, eles são instáveis e se transformam em várias partículas mais leves em uma pequena fração de segundo. São as propriedades dos produtos de decomposição que o detector mede, e os físicos então, de acordo com a conhecida metáfora, "tentam restaurar o mecanismo do relógio, examinando os fragmentos das engrenagens do relógio que colidiram quase na velocidade da luz".
Uma das "engrenagens" mais populares desse tipo é o múon. Em termos de suas propriedades, os múons são muito semelhantes aos elétrons comuns que orbitam os núcleos atômicos. No entanto, os múons são muito mais massivos e, portanto, têm um valor particular para os físicos experimentais. Em primeiro lugar, é mais difícil "enganá-los" quando encontram os prótons e elétrons do detector e, em segundo lugar, nas próprias colisões, menos deles nascem e é mais fácil distinguir seus traços no detector do que as trajetórias emaranhadas de vários elétrons.
Uma das partículas que tem sido estudada ativamente usando múons é o chamado méson B, que inclui um quark b pesado (ou antiquark).
E aqui os múons por muito tempo levaram os experimentadores pelo nariz.
A teoria da estrutura e interação dos quarks - cromodinâmica quântica - permite calcular a probabilidade de produção de mésons B e sua participação em várias interações. Assim, é possível estimar o número de múons que nascerão durante o decaimento dessas partículas. No entanto, no experimento, foram produzidos muito mais múons do que o planejado. Além disso, outro método de medição das propriedades dos mésons B mostrou resultados que estão cada vez mais de acordo com a teoria. Portanto, os experimentadores tinham cada vez menos razões para acusar os teóricos de não saberem contar (e os cálculos na cromodinâmica quântica são extremamente difíceis).
A razão para essas discrepâncias permaneceu um mistério por muito tempo, até que os cientistas descobriram que alguns dos múons, que os físicos por muito tempo consideraram como produtos de decomposição dos mésons B, na verdade nada tinham a ver com eles. O fato é que o méson B vive muito pouco e, tendo nascido da colisão de prótons e antiprótons, consegue voar para longe do eixo do tubo de vácuo, onde ocorrem as colisões, apenas por 1–2 mm. Aqui ele decai em múons. Quando os cientistas descobriram onde os múons que seu detector registrou, o problema dos mésons B foi resolvido: como se viu, alguns deles surgiram muito mais longe do eixo, e a contribuição desses "múons extras" para o resultado final explicou exatamente a discrepância com a teoria.
Mas de onde vêm esses múons "extras"?
Alguns deles se originam a 3 mm do eixo, a cinco e a sete; alguns estão completamente fora do tubo de vácuo, o que realmente não se encaixa em nenhuma porta.
A nascente "sensação" física está conectada a essas partículas. Esta palavra, rara para a ciência venerável, na verdade caracteriza o entusiasmo de teóricos e experimentadores da melhor maneira possível. As discussões sobre a realidade dos sinais encontrados pela colaboração do CDF já estão fervilhando nos blogs profissionais de físicos e no site de pré-impressões eletrônicas da Universidade Cornell, cada vez mais explicações teóricas para o que viram aparecer pelo terceiro dia consecutivo.
Novas partículas?
Em princípio, pode haver uma grande variedade de razões para o aparecimento de partículas desnecessárias ou, como dizem os físicos, "partículas de fundo", e a maior parte do artigo da colaboração do CDF é dedicada à análise de possíveis razões para o surgimento de um sinal que não apela à "nova física" além do padrão modelos. Talvez não tenhamos levado em consideração algumas outras partículas das quais nascem os múons - por exemplo, os raios cósmicos, ou talvez consideremos por múons outros produtos de decaimento de partículas produzidas no Tevatron? Finalmente, talvez os próprios sinais no detector, que tomamos como traços de múons, não sejam assim - ruído, flutuações estatísticas, artefatos de métodos furiosos de processamento matemático de resultados experimentais?
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De acordo com os autores do último trabalho, eles não conseguiram encontrar uma explicação "padrão".
De referir que quase um terço dos colaboradores - cerca de 200 em 600 pessoas - recusou-se a assinar o artigo, que vinha em "auditoria interna" há quase seis meses. De…
Tudo parece que conseguiram encontrar indícios da existência de alguma nova partícula que vive muito mais que o méson B e que não tem lugar na física que conhecemos. No entanto, os cientistas ainda se abstêm de tal declaração direta: a experiência de toda uma geração de físicos, continuamente convencidos da aplicabilidade do modelo padrão a fenômenos aparentemente completamente inexplicáveis, faz-se sentir. Mas é impossível simplesmente ignorar quase 100 mil eventos registrados por um dos melhores instrumentos do ainda mais poderoso acelerador da Terra.
As propriedades dos múons "extras" são surpreendentes por si mesmas. Um dos mais impressionantes é que muitas vezes eles nasceram em "pacotes" - não uma partícula de cada vez, mas duas, três, até oito de cada vez. Além disso, via de regra, a partir do ponto em que nasceram, eles voaram não em todas as direções, mas aproximadamente na mesma direção - os cientistas até usam o termo "jato de múon". E a energia característica de uma nova partícula desconhecida - se ela realmente existe - são vários GeV. Em outras palavras, a "nova física" - se realmente começarmos a distingui-la na névoa do múon - começa com energias não na casa dos milhares de GeV, aos quais monstros como o LHC são direcionados, mas muito antes.
E essas propriedades se aproximam de forma impressionante dos resultados do acelerador terrestre com os dados publicados apenas alguns dias antes do detector espacial de antipartículas PAMELA.
Fração de pósitrons em função da energia // Grupo PAMELA, arXiv.org
Resultados do experimento PAMELA O
veículo de pesquisa internacional PAMELA a bordo do satélite artificial russo Resurs-DK1 registrou de forma confiável um excesso de pósitrons de alta energia em um fluxo de espaço carregado …
De acordo com muitos astrofísicos, o excesso de pósitrons de alta energia (antipartículas de elétrons) nos raios cósmicos surge da decadência ou aniquilação de misteriosas partículas de matéria escura. Este é outro elemento da física além do modelo padrão, cuja existência (e até mesmo a dominação pela massa) os astrônomos sabem há muito tempo, mas não podem dizer nada que valha a pena: é por isso que é matéria escura, que não é visível e dá sua presença apenas por meio da gravidade.
Dark Power
Como se viu, o quarteto de teóricos de Princeton, Harvard e Nova York já tem uma explicação dos resultados do PAMELA, que veio a calhar com os novos dados do Tevatron. De acordo com Nima Arkanihamed e seus colegas, dentro da estrutura de seu modelo supersimétrico, uma explicação unificada e natural é obtida para o excesso de pósitrons medidos de forma confiável pelo aparelho PAMELA, um excesso sutil de raios gama vindo aparentemente de lugar nenhum, e o brilho nebuloso do centro da galáxia em gama e feixes de rádio registrados por outros satélites astrofísicos.
De acordo com o modelo, as partículas de matéria escura têm uma massa de cerca de 1000 GeV e não participam das interações que conhecemos. No entanto, eles agem um sobre o outro com a ajuda de uma força "escura" de curto alcance, que é carregada por outra partícula escura com uma massa de cerca de 1 GeV. Em outras palavras, aos três tipos usuais de interação, atuando apenas sobre a matéria comum (eletromagnética e nuclear, fraca e forte), acrescenta-se mais um, que atua apenas no mundo da matéria escura. A gravidade, como sempre, se destaca, ligando os dois mundos.
A força "escura" foi necessária para os teóricos a fim de ligar as partículas de matéria escura em uma espécie de "átomos", em que uma das partículas escuras tem uma "carga escura" negativa e a outra tem uma "carga escura" positiva. Somente a formação de "átomos" permite que a matéria escura se aniquile com intensidade suficiente para explicar os resultados das observações astrofísicas (esse é o chamado mecanismo de Sommerfeld).
Porém, a partícula que carrega a força "escura" já pode decair diretamente com a emissão de partículas comuns, e é essa partícula, segundo Arkanihamed e seus colegas, que pode ser responsável pelo aparecimento de múons "extras".
Além disso, o decaimento das partículas escuras carregadas com uma carga escura procede naturalmente em uma cascata até atingir a partícula escura estável mais clara, que não tem nada para se transformar. Cada etapa dessa cascata envolve uma partícula - um portador de força escura e, portanto, um múon extra pode aparecer a cada etapa. Tanto para múons em "pacotes". Bem, o fato de que todos voam na mesma direção é simplesmente devido ao fato de que a partícula em decomposição está se movendo rapidamente - então as cargas dos fogos de artifício festivos, explodindo antes de atingir o ponto mais alto de sua trajetória, lançam fontes inteiras de luzes brilhantes para a frente. Tanto para o "jato".
No entanto, a publicação de dados pelas colaborações CDF e PAMELA levará, sem dúvida, ao surgimento de dezenas, senão centenas, de possíveis explicações nos próximos meses. Portanto, pode não valer a pena pensar no modelo de Arkanihamed. Até agora, ela se distingue apenas pelo fato de que ela acabou por estar no tribunal ao interpretar esses e outros dados.
Claro, é possível que ambos os resultados experimentais recebam explicações mais triviais. "Múons extras" podem acabar sendo nada mais do que um efeito instrumental não explicado da instalação do CDF gigante, e "pósitrons extras" podem ser gerados nas proximidades de estrelas de nêutrons em nossa Galáxia.
Mas as perspectivas são intrigantes. No mundo da matéria escura, que até recentemente parecia uma turbidez sem forma atrás da qual os astrônomos escondem sua incompreensão da estrutura do mundo, uma estrutura começou a emergir - algum tipo de interação, "cargas escuras", "átomos escuros". Talvez a física não tenha acabado e as novas gerações de cientistas terão algo para estudar no "mundo das trevas".
