A física moderna sabe muito sobre como o universo funciona, desde a grande escala de galáxias até o tamanho infinitesimalmente pequeno de quarks e glúons. Ainda assim, as respostas para alguns mistérios importantes, como a natureza da matéria escura e a origem da gravidade, permaneceram fora de alcance.

Os físicos da Caltech e seus colegas que usam o Large Hadron Collider (LHC) da Organização Européia de Pesquisa Nuclear (CERN) em Genebra, Suíça, o maior e mais poderoso acelerador de partículas existente, e seu experimento Compact Muon Solenóide (CMS) fizeram um nova observação de eventos muito raros que poderiam ajudar a levar a física além de sua compreensão atual do mundo.

A nova observação envolve a produção simultânea de três bósons W ou Z, “partículas mediadoras” subatômicas que carregam a força fraca – uma das quatro forças fundamentais conhecidas – responsável pelo fenômeno da radioatividade, além de ser um ingrediente essencial dos processos termonucleares.

Bósons são uma classe de partículas que também incluem fótons, que compõem a luz; o bóson de Higgs, que é considerado responsável por dar massa à matéria; e glúons, que unem núcleos. Os bósons W e Z são semelhantes entre si, pois ambos carregam a força fraca, mas são diferentes, pois o bóson Z não tem carga elétrica. A existência desses bósons, juntamente com outras partículas subatômicas como glúons e neutrinos, é explicada pelo que é conhecido como Modelo Padrão da física de partículas.

O estudante de graduação Caltech Zhicai Zhang (MS ’18), membro da equipe de pesquisa de Física de Alta Energia liderada por Harvey Newman, o professor de Física Marvin L. Goldberger, e Maria Spiropulu, professora de Física Shang-Yi Ch’en, é um dos principais colaboradores da nova observação, trabalhando em conjunto com outros membros da equipe.

Os eventos que produzem os trios dos bósons ocorrem quando grupos intensos de prótons de alta energia que foram acelerados quase à velocidade da luz são levados a uma colisão frontal em alguns pontos ao longo do caminho circular do LHC. Quando dois prótons colidem, os quarks e glúons nos prótons são forçados a se separar e, como isso acontece, os bósons W e Z podem surgir; em casos muito raros, eles aparecem como trigêmeos: WWW, WWZ, WZZ e ZZZ. Esses trigêmeos dos bósons W e Z, diz Newman, são produzidos apenas em uma em cada 10 trilhões de colisões próton-próton. Esses eventos são registrados usando o CMS, que envolve um dos pontos de colisão ao longo do caminho do LHC. Zhang diz que esses eventos são 50 vezes mais raros do que aqueles usados ​​para descobrir o bóson de Higgs.

“Com o LHC criando um número enorme de colisões, podemos ver coisas muito raras, como a produção desses bósons”, diz Newman.

É possível que os bósons W e Z se auto-interajam, permitindo que os bósons W e Z criem ainda mais bósons W e Z; estes podem se manifestar como eventos com dois ou três bósons maciços. Ainda assim, essa criação é rara; portanto, quanto mais bósons são produzidos, menos frequente a produção acontece. A produção de dois bósons maciços já havia sido observada e medida com boa precisão no LHC.

A criação desses bósons não era o objetivo específico do experimento, diz Newman. Ao coletar dados suficientes, incluindo muitos eventos com trigêmeos bóson e outros eventos raros, os pesquisadores poderão testar as previsões do Modelo Padrão com maior precisão e, eventualmente, encontrar e conseguir estudar as novas interações que estão além dele.

“Sabemos, observando a rotação e a distribuição das galáxias, que deve haver matéria escura exercendo sua influência gravitacional, mas a matéria escura não se encaixa no Modelo Padrão. Não há espaço para partículas escuras, nem inclui a gravidade, e simplesmente não funciona nas escalas de energia típicas do universo primitivo nos primeiros momentos após o Big Bang. Sabemos que existe uma teoria mais fundamental ainda a ser descoberta do que o Modelo Padrão”, diz Newman.

A próxima etapa experimental de três anos, prevista para 2021–24, já está sendo preparada. No final dessa execução, o equipamento será atualizado para aumentar em 30 vezes sua capacidade de coleta de dados. “Há muito potencial não realizado. As massas de dados que já coletamos ainda representam apenas alguns por cento do que esperamos coletar após as principais atualizações do CMS e do LHC. No LHC de alta luminosidade que está programado para rodar em 10 anos a partir de 2027. Estamos apenas no começo deste programa de 30 anos de física”, diz ele.

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