LHCb vê indícios de não universalidade leptônica

Para além do Modelo Padrão?

O Modelo Padrão tem se mantido por mais de 60 anos como nosso melhor entendimento da física de partículas, descrevendo com sucesso os constituintes fundamentais da matéria e suas interações (forças). Realizada pelos experimentos Atlas e CMS – ambos detectores do Centro Europeu de Pesquisas Nucleares (CERN), com sede em Genebra (Suíça) –, a descoberta do tão esperado bóson de Higgs – partícula responsável por fornecer massa às suas companheiras do mundo subatômico – confirmou esse notável ferramental teórico.

Mas, ainda que várias gerações de experimentos verificassem com incrível precisão as previsões do Modelo Padrão, é amplamente aceito que essa teoria é incompleta. Em particular, esse modelo falha em acomodar diversas observações experimentais, como a existência de matéria escura (responsável por cerca de 25% do conteúdo do universo) ou a assimetria entre matéria e antimatéria encontrada no universo – a natureza privilegiou a primeira em detrimento da segunda.

Indiscutivelmente, o principal objetivo da física de partículas experimental, atualmente, é descobrir novas partículas e formas de interação entre elas – comumente, chamadas ‘nova física’ – que podem, em última instância, resolver questões ainda em aberto do universo.

Com o anúncio da observação da partícula de Higgs, as comunidades teórica e experimental estavam ansiosas por novos resultados do CERN que pudessem apontar para um possível sinal de uma nova física. Os primeiros indícios de algo intrigante surgiram ainda em dezembro de 2015, quando os pesquisadores de dois detectores (experimentos) revelaram que ter visto pequenas distorções em seus dados.

Apesar de todo o frenesi à época, os dados obtidos no ano seguinte apontaram de forma incontestável para a ausência de qualquer sinal, ou seja, era apenas o que os físicos denominam flutuação estatística. Ainda que frustrantes, esses resultados foram cruciais para ressaltar a importância de sermos cautelosos com novos observações.

De qualquer forma, a empolgação daqueles dias parece, agora, uma memória distante substituída por um sentimento crescente de desapontamento com a falta de qualquer descoberta relevante depois disso. Ou, pelo menos, até este momento.

Física do sabor

Há, basicamente, duas metodologias para se buscar uma nova física. A primeira é produzir uma nova partícula diretamente em colisões de alta energia. A segunda envolve medidas de precisão de partículas bem conhecidas que decaem (‘desintegram-se’) por meio da chamada força (interação) fraca, uma das quatro forças da natureza, ao lado da força forte, a qual também só age no domínio nuclear, a força da gravidade e a força eletromagnética – esta última responsável, por exemplo, pelo atrito.

Esses decaimentos podem ocorrer por meio de partículas intermediárias que são mais pesadas do que a partícula inicial em si – o que só é permitido por causa do fenômeno conhecido como princípio da incerteza de Heisenberg, que pode ‘emprestar’ energia ao sistema por curto período de tempo – o nome do princípio é referência ao físico alemão Werner Heisenberg (1901-1976), Nobel de Física de 1932.

Ao comparar o comportamento desse decaimento com o que é previsto pelo Modelo Padrão, podemos investigar a presença de novas partículas com energias até superiores às alcançadas em aceleradores de partículas. De fato, medidas indiretas foram historicamente responsáveis por prever a existência de diversas partículas antes da possibilidade de produzi-las diretamente. 

Com a ausência de novos sinais em experimentos, como Atlas e CMS – que exploram as fronteiras experimentais de energia –, a comunidade tem se interessado cada vez mais em medidas indiretas que possam indicar um caminho para uma nova física. Entre as opções mais promissoras, está a área de pesquisa conhecida como física de sabor (flavour physics).

Em tempo: a lenda conta que, em 1971, o ganhador do prêmio Nobel Murray Gell-Mann (1929-2019) e seu aluno à época, Harald Fritzsch, em uma sorveteria chamada Baskin-Robbins na Pasadena (EUA), chegaram à conclusão de que, assim como o sorvete tem cor e sabor (flavour), o mesmo deveria acontecer com as partículas fundamentais do universo.

A expressão flavour, que nomeia esse campo, pode estar vendo finalmente as primeiras pistas para algo completamente novo.

Primeiras anomalias

Um dos mais promissores processos para buscar a presença de uma nova física são os decaimentos do méson B. Explicando: méson são partículas subatômicas formadas por um quark e um antiquark – estes últimos podem ser considerados ‘tijolos’ fundamentais da matéria.

Os méson B, por sua vez, são formados por um beauty quark (daí, seu nome, ‘B’) e outro tipo de antiquark. São produzidos copiosamente em outro dos quatro grandes experimentos no CERN, o detector LHCb – experimento do qual o CBPF participa.

Em particular, processos em que o beauty se transforma em um strange (outro tipo de quark) – com a emissão de dois léptons (família de partículas que inclui o elétron) carregados – são excelente laboratório para verificar a presença de novas partículas. Por exemplo, na presença de nova física, a taxa de decaimento desses processos ou a distribuição (angular) dos eventos podem ser alterados.

Desde 2013, o experimento LHCb tem reportado uma série de medidas nesta área – especificamente, em estado finais com múons (elétrons pesados) que, sistematicamente, indicam forte discrepância com as predições do Modelo Padrão. Essas anomalias receberam atenção imediata da comunidade científica, pois poderiam ser explicados por alteração na força de acoplamento dos múons com partículas pesadas não prevista na teoria.

Vários modelos foram sugeridos para interpretar esses resultados como evidências de uma nova física. Por exemplo, a existência de um novo bóson neutro Z – uma das partículas que ‘carregam’ a força fraca – ou novas partículas – denominadas tecnicamente leptoquarks. No entanto, essas anomalias podiam também ser explicadas pelas grandes incertezas teóricas capazes de imitar – ou até camuflar – os efeitos de uma nova física. 

Outra peça interessante nesse quebra-cabeça tem a ver com a chamada universalidade do sabor dos léptons (em inglês, conhecido como LFU). Em termo simples, isso quer dizer que os diferentes léptons (elétrons, múons e taus) têm a mesma força de interação – o que está previsto pelo Modelo Padrão. Única exceção a essa regra: a força de interação dos léptons com o bóson de Higgs é individual para cada um dessas três partículas, pois elas têm massas diferentes – o elétron, a menor; o tau, a maior.

Mas a LFU é uma simetria acidental do Modelo Padrão, ou seja, não é uma consequência de nenhum axioma da teoria. Um modo de medir essa simetria é medirmos as taxas de decaimento em múons e as compararmos com a em elétrons.

Padrão sistemático

E, se por acaso, a taxa de decaimento em múons não for igual à em elétrons? Então, a razão entre elas será diferentes de 1. Nesse caso, estaríamos observando, indiscutivelmente, a existência de uma física além do Modelo Padrão, uma vez que não existem as mesmas limitações teóricas das medidas anteriores.

Mas esse tipo de medida em relação a elétrons é experimentalmente bem desafiador. E, para obtê-las, foi preciso profundo desenvolvimento tecnológico para atingir a precisão desejada.

Medidas desse tipo foram feitas pelo LHCb em 2017 e 2019, com dados parciais da colaboração. E elas indicaram discrepância em relação ao Modelo Padrão da ordem de 2,0-2,5 sigma. Na física de partículas, usamos ‘sigma’ para expressar a ‘força’ da evidência de um novo fenômeno – ou melhor, a ‘distância’ entre os dados observados e os esperados, caso não houvesse o novo fenômeno.

Enquanto 1 sigma significa que os resultados podem ser devido a flutuações estatísticas, 3 sigma é considerado evidencia. E, acima de 5 sigma, é uma descoberta.

Dessa forma, naqueles primeiros resultados do LHCb, não obtivemos estatística suficiente para termos conclusões mais afirmativas. Mas vale ressaltar que esses resultados são consistentes com as anomalias anteriores, sugerindo um padrão sistemático de inconsistência em relação ao Modelo Padrão. E isso é muito interessante.

Imenso passo

O resultado do LHCb tornado público hoje são semelhantes aos obtidos ainda em 2019, mas usou todos os dados coletados pelo experimento até este momento, o que corresponde a duplicar sua estatística.

Com esses novos dados, o valor central da razão da taxa de decaimento encontrado basicamente se mantém o mesmo, mas com mais precisão. A compatibilidade com o Modelo Padrão é de apenas 0,1%, ultrapassando finalmente a barreira dos 3 sigma.

Portanto, é a primeira evidência experimental de quebra da universalidade dos léptons, que, caso confirmada, pode indicar nova física.

Esses resultados são um imenso passo na direção de estender nossa compreensão da interação física entre partículas nas menores distâncias. Acima de tudo, eles desafiam as inferências do Modelo Padrão, baseada em mais de 60 anos de dados experimentais.

Ainda que seja cedo para concluir qualquer coisa, existe claramente um padrão de discrepância em relação às predições teóricas ao longo da ultima década. A confirmação definitiva de uma possível violação da universalidade dos léptons requer mais estatística e diversas evidências independentes de outros processos e experimentos.

O LHCb parece o local ideal para fornecer novas respostas nesse sentido – particularmente, com o upgrade de seu detector, que voltará a tomar dados a partir do ano que vem. Podemos arriscar dizer que há grandes chances de vermos resultados ainda mais excitantes num futuro próximo.

Rafael Silva Coutinho

SNF Ambizione Fellow (Cientista sênior)

Universidade de Zurique (Suíça)

Mais informações:

LHCb (em inglês): http://lhcb-public.web.cern.ch/

Canal “Flavour at Zurich” : https://www.youtube.com/channel/UCAqK1OfxCPhp1G7u9AQYkfL

Paper: https://arxiv.org/abs/2103.11769