Cientistas que trabalham na colaboração CMS relataram a provável descoberta de uma partícula desconhecida que se decompõe em múons com uma massa total de 28 GeV. Atualmente, nenhum modelo teórico prevê a existência dessa partícula, mas os cientistas esperam que essa anomalia não seja resultado de um erro estatístico. A pré-impressão de observação está disponível no repositório arXiv.org. Contaremos a você em detalhes sobre o estudo, que pode ser tanto uma descoberta revolucionária quanto outro sopro.
Bobina infernal
O Compact Muon Solenóide, ou CMS (Compact Muon Solenóide), é um grande detector de partículas elementares localizado no Large Hadron Collider (LHC). Esse gigantesco aparelho com 15 metros de diâmetro e peso de 15 mil toneladas foi projetado para buscar a Nova Física - a física além do Modelo Padrão. Se o Modelo Padrão descreve as propriedades de todas as partículas elementares conhecidas (e algumas ainda não foram confirmadas), então as hipóteses dentro da estrutura da Nova Física tentam explicar vários fenômenos que ainda permanecem um mistério para os cientistas.
De acordo com uma das hipóteses - supersimetria - cada partícula elementar conhecida corresponde a um superparceiro com massa mais pesada. Por exemplo, o parceiro do elétron, que é o férmion, é o bóson selectron, e o parceiro do glúon (que é o bóson) é o férmion gluino. No entanto, a falta de resultados para confirmar a supersimetria tem levado ao fato de que esse modelo é abandonado por cada vez mais cientistas.
As colisões próton-próton ocorrem dentro do detector. Cada próton é formado por três quarks mantidos juntos pelo campo de glúons. Em alta velocidade, comparável à velocidade da luz, o campo de glúons se transforma em uma "sopa" de partículas - glúons. Em uma colisão frontal de prótons, apenas alguns quarks ou glúons interagem entre si, o resto das partículas voam sem impedimento. Ocorrem reações que produzem muitas partículas de vida curta, e vários detectores CMS registram seus produtos de decaimento, incluindo múons. Os múons se assemelham aos elétrons, mas são 200 vezes mais massivos.
Com a ajuda de detectores localizados fora do solenóide, os cientistas são capazes de rastrear as trajetórias dos múons com alta precisão e determinar o que exatamente causou o aparecimento de uma partícula em particular. Um grande número de colisões próton-próton é necessário para aumentar as chances de produzir uma partícula rara que se desintegra em múons. Isso gera uma quantidade astronômica de dados (cerca de 40 terabytes por segundo), e para encontrar rapidamente algo incomum neles, um sistema especial de gatilho é usado, que decide quais informações registrar.
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O fantasma dentro
O CMS, junto com o detector ATLAS, também localizado no LHC, foi utilizado para a busca do bóson de Higgs previsto pelo Modelo Padrão. Essa partícula é responsável pela massa dos bósons W e Z (portadores da interação fraca) e pela falta de massa no fóton e no glúon. Em 2012, o bóson de Higgs com massa de 125 GeV foi descoberto. No entanto, os cientistas acreditam que pode haver outros bósons de Higgs de massa inferior fora do modelo padrão. Eles são previstos pelo modelo de Higgs de dois dupletos e pelo NMSSM (modelo padrão supersimétrico próximo ao mínimo). Apesar de todos os testes experimentais, os cientistas ainda não conseguiram provar ou refutar essas hipóteses.
Cientistas do CMS estão procurando outras partículas leves exóticas. Isso inclui, por exemplo, fótons escuros - portadores de uma interação fundamental completamente nova, que lembra uma interação eletromagnética, e que são análogos aos fótons para a matéria escura. Outra partícula hipotética é o análogo escuro do bóson Z.
Os físicos realizaram um experimento para encontrar evidências da existência de um bóson leve, que é emitido por um par de quarks bonitos (quarks b) e decai em múon e anti-múon. Durante o experimento em colisões próton-próton em um sistema de energia no centro de massa (um sistema no qual as partículas têm momentos iguais e dirigidos de forma oposta) igual a 8 TeV, uma série de eventos foram registrados que provavelmente estão associados a um bóson hipotético.
O primeiro tipo de evento inclui o aparecimento de um jato de quarks b no centro do detector e sua parte frontal, e o segundo - o aparecimento de dois jatos no centro e não um único jato na parte frontal. Em ambos os casos, foi observado um excesso dos pares emergentes de múons, e a massa dos pares, conforme mostrado nas análises subsequentes, atingiu 28 GeV. A diferença no número de pares de múons em relação aos valores de fundo para eventos do primeiro tipo é de 4,2 desvio padrão (sigma) e para eventos do segundo tipo é 2,9 sigma.
Morte da física
Na física de partículas, uma diferença de cinco sigma indica uma certa existência de uma anomalia que não poderia ter surgido por acaso. No entanto, se a diferença está na faixa de 3-5 sigma, os físicos dizem que isso apenas indica a existência de uma nova partícula. Neste último caso, é necessário obter muito mais dados para confirmar (ou refutar) o resultado, a fim de excluir erros no processamento e interpretação dos dados. Se tudo for confirmado, então podemos dizer que os múons surgem devido ao decaimento de uma partícula da Nova Física.
Não é a primeira vez que se observa um fenômeno no LHC que não se enquadra no Modelo Padrão. Em 2016, físicos anunciaram a descoberta de indícios da existência de uma ressonância correspondente a uma partícula massiva de curta duração. Foi registrado em 2015 como um excesso de pares de fótons com massa total de 750 GeV, nos quais essa partícula supostamente decai. Em outras palavras, essa partícula deveria ter seis vezes mais massa do que o bóson de Higgs. No entanto, a análise dos dados coletados no colisor posteriormente não confirmou esse resultado.
Até agora, os físicos não encontraram nenhum traço confiável da existência da Nova Física. No entanto, não há dúvida de que deveria existir, porque o Modelo Padrão é incapaz de explicar fenômenos como o problema da hierarquia das massas dos férmions (um bóson de Goldstone hipotético é introduzido para resolvê-lo), a existência de massa em neutrinos, a assimetria de matéria e antimatéria, a origem da energia escura e outros. A própria presença de matéria escura no Universo pressupõe toda uma classe de partículas hipotéticas com propriedades exóticas que a constituem. Paradoxalmente, tudo o que os cientistas foram capazes de fazer até agora foi confirmar experimentalmente o Modelo Padrão esgotado.
Alguns cientistas sugerem que, se é possível provar a Nova Física, isso deve ser feito em um futuro muito próximo, nos próximos anos. Do contrário, será possível temer seriamente que a humanidade não seja mais capaz de fazer descobertas significativas. É encorajador que mais e mais anomalias tenham sido encontradas em aceleradores recentemente, sugerindo que os cientistas estão à beira de algo completamente novo.
Alexander Enikeev
