Físicos batem à porta do zeptoverso!

 

Após mais de quatro décadas de buscas, uma equipe de físicos liderada pelo Reino Unido encontrou evidências do mais raro decaimento já observado de uma partícula subatômica conhecida como "quark beauty". Os resultados podem abrir as portas para um novo e estranho mundo chamado zeptoverso, onde partículas que poderiam ajudar a explicar mistérios como a matéria escura e a origem da matéria durante o Big Bang podem estar escondidas.

A equipe, que trabalha no experimento LHCb atualizado do Grande Colisor de Hádrons (LHC) do CERN, perto de Genebra, estava estudando os quarks beauty, primos exóticos dos quarks up e down que compõem toda a matéria atômica do universo.

Quando esses quarks beauty são criados, elas vivem por apenas um trilionésimo e meio de segundo antes de decair. A forma como eles se desintegram pode nos revelar aspectos da física que ocorrem em escalas de distância muito curtas: trilionésimos de bilionésimos de metro.

“O que descobrimos nestes resultados mais recentes é um decaimento incrivelmente raro de um desses quarks beauty, onde ele se transforma em duas partículas ainda menores chamadas múons”, disse o Dr. Harry Cliff, da University of Cambridge’s Cavendish Laboratory, que liderou a equipe de análise. “Esse processo ocorre apenas em uma a cada dez bilhões de quarks beauty, então é incrivelmente difícil de encontrar.”

Esta é a primeira vez que se obtém evidência para este raro tipo de decaimento, conhecido como 'Bd para mu mu', em um único experimento. Os resultados, que ainda não foram revisados ​​por pares, foram apresentados ontem (3 de novembro) no CERN.

O Cambridge’s Cavendish Laboratory é o local onde a primeira partícula subatômica – o elétron – foi descoberta em 1897, e onde o nêutron foi descoberto em 1932. Mas no LHC, os físicos estão agora investigando distâncias 10 bilhões de vezes menores que um átomo.

O LHC é poderoso o suficiente para estudar a estrutura da realidade até a centena de zeptômetros – milhares de trilhões de vezes menor que a espessura de um fio de cabelo humano – em busca de novas partículas que possam residir no zeptoverso. O fato de o LHC ainda não ter detectado novas partículas sugere que elas podem estar escondidas a distâncias ainda menores, tão pequenas quanto um zeptômetro: um trilionésimo de bilionésimo de metro.

A equipe de pesquisa, que incluía cerca de 20 físicos do Reino Unido, Alemanha, Itália, Espanha e Holanda, usou o experimento LHCb para ampliar ainda mais a resolução do que o LHC consegue alcançar diretamente. O experimento LHCb foi projetado para estudar os quarks beauty, que normalmente não existem na natureza, mas são produzidos em grandes quantidades em colisões de alta energia no LHC.

Ao realizar medições precisas das diferentes formas de decaimento dos quark beauty, os físicos podem detectar a influência da mecânica quântica em novas partículas que podem ser muito pequenas para serem observadas no LHC.

Em geral, quanto mais raro for um decaimento, mais sensível ele será à influência de novas partículas. Entre os mais raros está o decaimento de um quark beauty com um antiquark de carga oposta, produzindo um múon e um antimúon. No Modelo Padrão da física de partículas, esse processo ocorre por meio de um conjunto complexo de interações, tornando o decaimento extraordinariamente improvável: menos de algumas vezes por bilhão de partículas beleza.

No entanto, no zeptoverso, novas partículas poderiam fornecer uma rota adicional para o decaimento, alterando a frequência com que ele ocorre. Por décadas, esses decaimentos têm sido vistos como "canais de ouro" na busca por nova física. "Os físicos têm procurado por esse tipo raro de decaimento desde 1984, antes mesmo de eu nascer", disse Cliff.

Em 2024, uma grande atualização do experimento LHCb tornou possível a descoberta do raríssimo decaimento do bélio (Bd) para o μμ. Uma enorme nova amostra de decaimentos do quark beauty, coletada entre 2024 e 2025, aproveitou a capacidade do LHCb atualizado de distinguir diferentes tipos de partículas. Utilizando técnicas de machine learning, os pesquisadores conseguiram suprimir a enorme quantidade de ruído de fundo que, de outra forma, encobriria esses sinais raríssimos, permitindo-lhes obter a primeira evidência do decaimento do Bd para o μμ.

Ao combinar os dados de 2024 e 2025 com dados anteriores coletados entre 2011 e 2018, a força do sinal aumentou para 3,2 sigma, acima do nível de significância estatística de 'três sigmas', o limiar de evidência aceito para um novo fenômeno.

“Ver pela primeira vez evidências claras desse decaimento tão raro foi emocionante”, disse Cliff. “Estamos batendo à porta do zeptoverso. Mal posso esperar para ver o que encontraremos à medida que explorarmos mais a fundo.”

Os novos resultados concordam com as previsões do Modelo Padrão, fornecendo aos físicos informações sobre quais partículas poderão ser encontradas quando o sucessor do LHC entrar em operação na segunda metade deste século. Outra grande atualização, planejada para meados da década de 2030, poderá aumentar a taxa de coleta de dados em mais uma ordem de magnitude, transformando essas descobertas em sondas de precisão para a busca de partículas ainda não descobertas, oferecendo aos físicos novas oportunidades para encontrar falhas no Modelo Padrão e revelar o que pode estar além dele.

O professor Tim Gershon, da University of Warwick, que lidera o experimento LHCb, disse: “Este resultado fantástico demonstra as extraordinárias capacidades do LHCb para sondar a natureza em seu nível fundamental. Este projeto, impulsionado e liderado por físicos do Reino Unido, está produzindo ciência de grande valor. Meu foco agora é concretizar a atualização do LHCb planejada para a década de 2030, que será essencial para que possamos continuar nesta jornada de descobertas.”

A contribuição do Reino Unido para o CERN é financiada pelo Science and Technology Facilities Council (STFC), que faz parte do UK Research and Innovation (UKRI).

Subscrito 

Bonani