Cientistas do CERN relataram suas primeiras evidências significativas de um processo previsto pela teoria, abrindo caminho para pesquisas de evidências de nova física em processos de partículas que poderiam explicar a matéria escura e outros mistérios do universo.

Hoje, a colaboração do CERN NA62, que é parcialmente financiada pelo Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia do Reino Unido (STFC) e envolve vários cientistas do Reino Unido, apresentou na conferência ICHEP 2020 em Praga a primeira evidência experimental significativa para a deterioração ultra-rara de káon carregado em um Píon carregado e dois Neutrinos (ou seja, K+ → π+νν).

O processo de decaimento é importante na pesquisa de ponta em física, pois é muito sensível a desvios das previsões teóricas. Isso significa que é uma das coisas mais interessantes a serem observadas pelos físicos que procuram evidências que apóiem ​​o modelo teórico alternativo na física de partículas.

O professor Mark Thomson, físico de partículas e presidente executivo do STFC, disse que este foi um progresso emocionante porque o resultado mostra como medições precisas desse processo podem levar a uma nova física, além do modelo padrão de física de partículas desenvolvido na década de 1970: “O Modelo Padrão descreve as forças fundamentais e os blocos de construção do universo. É uma teoria de grande sucesso, mas existem vários mistérios do universo que o Modelo Padrão não explica, como a natureza da matéria escura e as origens do universo. desequilíbrio matéria-antimatéria no universo.”

“Os físicos têm procurado por extensões teóricas ao modelo padrão. As medições de processos ultra-raros fornecem um caminho interessante para explorar essas possibilidades, com a esperança de descobrir uma nova física além do modelo padrão”.

Os participantes do Reino Unido nesta pesquisa são das Universidades de Birmingham, Bristol, Glasgow e Lancaster, e foram financiados pelo STFC, que faz parte da Pesquisa e Inovação do Reino Unido, bem como pela Royal Society e pelo European Research Council (ERC).

Desenvolvimento histórico das previsões teóricas (áreas vermelhas) e limites experimentais (triângulos pretos). Existem três medidas em azul: a primeira é de um experimento nos EUA. Os dois a seguir são do NA62 com dados anteriores e esta medição. A precisão aumentada da medição atual pode ser vista claramente. Crédito: a colaboração NA62.

O experimento NA62 foi projetado e construído, com uma contribuição significativa do Reino Unido, especificamente para a medição desses decaimentos ultra-raros de Káon, a partir de káons produzidos por um único feixe de prótons de alta intensidade fornecido pelo complexo acelerador CERN. Os kaons são criados colidindo prótons de alta energia do Super Proton Synchrotron (SPS) do CERN em um alvo estacionário de berílio. Isso cria um feixe de partículas secundárias que contém e propaga quase um bilhão de partículas por segundo, cerca de 6% das quais são kaons. O principal objetivo do NA62 é medir com precisão como a partícula kaon carregada se decompõe em um par pion e um par neutrino-antineutrino. O Reino Unido tem um forte papel de liderança na análise de decaimento K+ → π+νν.

“Esse processo de decaimento kaon é chamado de ‘canal de ouro’ por causa da combinação de ser ultra raro e excelentemente previsto no Modelo Padrão. É muito difícil capturar e manter uma promessa real para os cientistas que procuram por nova física”, explica o professor. Cristina Lazzeroni, física de partículas na Universidade de Birmingham e porta-voz da NA62.

“É a primeira vez que conseguimos obter evidências experimentais significativas para esse processo de decaimento. É um momento emocionante, porque é um passo fundamental para capturar a medida precisa do decaimento e identificar possíveis desvios do modelo padrão.

“Por sua vez, isso nos permitirá encontrar novas maneiras de entender nosso universo. Os instrumentos e técnicas desenvolvidas no experimento NA62 levarão à próxima geração de experimentos raros de decaimento de Káon”.

O novo resultado medido com uma precisão de 30%, fornece a medida mais precisa até a data deste processo. O resultado é consistente com a expectativa do modelo padrão, mas ainda deixa espaço para a existência de novas partículas.

São necessários mais dados para se chegar a uma conclusão definitiva sobre a presença ou não da nova física.

O pesquisador do STFC Ernest Rutherford, Dr. Giuseppe Ruggiero, da Universidade de Lancaster, é o principal analista dessa medida desde 2016 e ajudou a criar o experimento. Ele disse:

Os 17 eventos do conjunto de dados de 2018 são visíveis dentro das caixas vermelhas (as caixas vermelhas foram mantidas cegas durante a análise e seu conteúdo revelado apenas como a última etapa). Os outros pontos pretos fora das caixas vermelhas devem-se principalmente ao fundo, ou seja, de outros processos. Crédito: a colaboração NA62.

“A análise dos dados do experimento representou um desafio real. Tivemos que suprimir uma enorme quantidade de dados indesejados, em cerca de 1 bilhões de vezes. E tivemos que fazer isso sem perder o pequeno sinal que queríamos detectar. Isso é muito mais desafiador do que encontrar uma agulha em um milhão de palheiros! Usamos um método chamado técnica de análise cega. Assim chamado, porque a análise é feita sem olhar na região, ou “caixa cega”, onde o sinal deveria estar”.

O STFC também financiou duas Bolsas Ernest Rutherford, uma na Universidade de Liverpool e depois em Lancaster, e uma na Universidade de Birmingham. Além disso, três estudantes de doutorado da Universidade de Birmingham receberam apoio do STFC e um agora trabalha como pesquisador de pós-doutorado no projeto. Todos os cinco físicos ‘no início da carreira’ trabalharam no projeto.

Os dados utilizados na pesquisa foram coletados entre 2016 e 2018 no site Prevessin do CERN, na França, e a pesquisa envolve mais de 200 cientistas de 31 instituições. Um novo período de coleta de dados começará em 2021 e permitirá à colaboração do NA62 dar uma resposta mais definitiva à questão da nova física.

As evidências

O novo resultado vem de uma análise detalhada do conjunto completo de dados NA62 coletados até o momento, correspondendo à exposição de decaimentos de 6 × 1012 Káon. Como o processo que está sendo medido é tão raro, a equipe teve que ser particularmente cuidadosa para não fazer nada que pudesse influenciar o resultado. Por esse motivo, o experimento foi realizado como uma “análise cega”, em que os físicos inicialmente olham apenas o pano de fundo para verificar se o entendimento das várias fontes está correto.

Somente quando estão satisfeitos com isso, eles olham para a região dos dados onde o sinal deve estar; isso é chamado de “análise cega”. Após uma análise às cegas, dezessete candidatos a K+ → π+νν são observados no conjunto de dados principal coletado em 2018, revelando um excesso significativo no cenário esperado de apenas 5,3 eventos.

Esse excesso leva à primeira evidência desse processo (com significância estatística acima do nível “três sigma”). A taxa de decaimento, medida com uma precisão de 30%, fornece a medida mais precisa até a data deste processo. O resultado é consistente com a expectativa do modelo padrão, mas ainda deixa espaço para novos efeitos físicos. São necessários mais dados para chegar a uma conclusão definitiva sobre a presença ou não da nova física.

A probabilidade desse processo ocorrer, chamada “taxa de ramificação”, para a deterioração ultra-rara de K+ → π+νν é muito pequena e prevista no Modelo Padrão da física de partículas com alta precisão: (8,4 ± 1,0) × 10ˆ11 . Isso leva a uma sensibilidade excepcional aos possíveis fenômenos além da descrição do Modelo Padrão, tornando esse decaimento um “modo de ouro”, isto é, um dos observáveis ​​mais interessantes na fronteira de precisão da física de partículas. No entanto, o estudo experimental é extremamente desafiador devido à pequena taxa, um par de neutrinos no estado final e enormes processos potenciais em segundo plano. Devido às suas características, o experimento NA62 apresenta excelente sensibilidade a uma variedade de decaimentos raros de caos e processos exóticos.

A colaboração do NA62 está se preparando para coletar um conjunto de dados ainda maior em 2021–24, quando o CERN SPS reiniciará a operação, levando os dados em uma intensidade de feixe mais alta com uma linha de feixe aprimorada e configuração do detector. O próximo alvo é uma observação “cinco sigma” do decaimento K+ → π+νν, seguida de uma medição da taxa de decaimento com uma precisão de 10%, proporcionando assim um poderoso teste independente do Modelo Padrão da física de partículas. O horizonte de um novo programa de física com sensibilidade às taxas de decaimento bem abaixo do nível 10ˆ11 está agora à vista.

Para o futuro a longo prazo, um programa de feixe kaon de alta intensidade está começando a tomar forma, com perspectivas de medir o decaimento K+ → π+νν com uma precisão de algumas %, para abordar o decaimento análogo do kaon neutro, KL → π0νν, e alcançar sensibilidades extremas a uma grande variedade de decaimentos raros de kaon que são complementares às investigações no setor de quarks de beleza.

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