Nova força fundamental da natureza pode ser real se este estudo estiver correto

Há dez anos, ocorre um experimento no Large Hadron Collider (LHC), o maior acelerador de partículas do mundo, que busca encontrar uma resposta para uma anomalia encontrada no decaimento de um quark conhecido como "quark beleza". Em março deste ano, os cientistas encontraram uma pista empolgante: pode ser que uma nova força fundamental esteja por trás dessa anomalia. Agora, atualizações do experimento mostram que, de fato, os cientistas podem estar no caminho certo para uma descoberta revolucionária. 

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Para não criar excesso de expectativas, os cientistas do experimento LHCb (sigla para Large Hadron Collider beauty experiment, onde beauty se refere aos quarks beleza) alertam que ainda falta muito trabalho para coletar evidências que sustentem e justifiquem a "invenção" de uma nova física. Mas, se uma nova força fundamental for encontrada, não apenas haverá uma nova física, como portas poderão se abrir para finalmente compreendermos outros mistérios do universo, como a natureza da matéria escura e a unificação entre a Relatividade Geral e a mecânica quântica.

Do que se trata o LHCb?

O Modelo Padrão das partículas é a mais bem sucedida teoria científica já escrita e resistiu a décadas de testes. Mas os cientistas sabem que ele deve estar incompleto. Além disso, experimentos repetidos no acelerador de partículas estão mostrando resultados que o Modelo Padrão não pode explicar. Os quarks beleza, que têm fama de instáveis, decaem em outras partículas em uma fração de minutos, e "se transformam" em múons e elétrons, produzindo ambos em quantidades iguais. No entanto, o LHCb encontrou uma quantidade desigual dessas partículas.

Durante os experimentos no LHC e em outros estudos ao redor do mundo, os cientistas estão encontrando quarks beleza decaindo em múons com menos frequência do que decaiam em elétrons, o que é estranho, pois o decaimento deveria ser em igualdade. A única explicação para uma taxa diferente é a presença de partículas nunca vistas antes, influenciando no decaimento. E, grosso modo, partículas nunca vistas antes atuando no decaimento de quarks podem significar a existência de uma nova força fundamental da natureza. 

Essa conclusão é porque o decaimento dos quarks beleza é mediado por uma das três forças fundamentais descritas pelo Modelo Padrão, a força fraca. A anomalia tem sido observada ao longo da última década, mas ainda há um grau de incerteza elevado. Observando o cenário em retrospecto e analisando os casos em conjunto, é muito tentador anunciar "ao quatro cantos" que há evidências de uma nova força fundamental, mas é preciso muita cautela. Para estabelecer e justificar estudos que criarão novas regras para a física é necessário cinco sigmas, ou seja, um grau de certeza elevadíssimo. Até o momento, os cientistas têm 3 sigma.

Os novos resultados

Enquanto o LHCb é atualizado com novos orçamentos, uma equipe estudou pela primeira vez decaimentos dos quarks beleza diretamente. O estudo de março analisou quarks beleza combinados com quarks “up”, enquanto a nova pesquisa analisou dois decaimentos: um de quarks beleza emparelhados com quarks “down” e outro emparelhados também com quarks "up". A ideia é que o decaimento deve ser o mesmo, se realmente houver uma nova força afetando os quark beleza.

De acordo com o comunicado dessa nova pesquisa, os decaimentos em múon aconteceram apenas cerca de 70% das vezes em relação ao decaimento em elétron. Para comparação, o anúncio de março mostrou uma taxa de 80%, então a nova análise parece ter visto uma quantidade ainda menor de múons. Por outro lado, eles têm uma chance de erro maior, com apenas dois sigma. O resultado é empolgante, mas não é preciso o suficiente para reivindicar evidências de uma nova força.

Ainda assim, há motivos de sobra para que as pesquisas continuem "perseguindo" a suposta anomalia até que esteja comprovado que não se trata de uma infeliz obra do acaso. O novo estudo se alinha muito com o resultado anterior, o que serve como motivação para os cientistas que trabalham na área da física dos "sabores" (na física das partículas, sabor é um conjunto de números quânticos que caracteriza diversos tipos de quarks).

Por fim, outros experimentos no LHC e no Belle 2, no Japão, estão perto de obter e anunciar as mesmas medições. Apesar de toda a cautela para não causar um falso alarde, é empolgante pensar que podemos estar acompanhando o desenrolar da descoberta de uma física completamente nova sobre o nosso universo.

O resultado da nova pesquisa sobre o decaimento de quarks beleza está disponível no arXiv e aguarda revisão de pares.

Fonte: The Conversation