Seção transversal da produção de antiprótons nas colisões de prótons do LHC com núcleos de hélio em função da energia do antipróton em diferentes faixas de energia. Alguns dos modelos mais populares usados na física de raios cósmicos são representados por linhas sólidas coloridas, e os resultados do LHCb são os pontos de dados sobrepostos. A propagação entre as previsões do modelo indica a grande incerteza sobre o valor da seção transversal de produção de antimatéria em colisões de próton-hélio antes da medição de LHCb. Deve-se notar que a escala vertical é logarítmica, portanto, um pequeno deslocamento vertical (dos pontos de dados) corresponde a uma grande diferença real em relação aos modelos teóricos, representado pelas linhas coloridas. Crédito:colaboração LHCb
Na semana passada no 52º Rencontres de Moriond EW em La Thuile, Itália, o experimento LHCb apresentou os resultados de um estudo incomum e sem precedentes. Em vez das colisões próton-próton usuais, desta vez, o detector LHCb registrou colisões entre prótons e núcleos de hélio, que foram injetados próximo ao ponto de interação do experimento. Este tipo de colisão geralmente só pode ser visto muito acima da atmosfera da Terra, onde partículas de raios cósmicos - partículas altamente energéticas de fora do Sistema Solar - atingem a "poeira" interestelar composta principalmente de hidrogênio e hélio, e são detectados por experimentos baseados em satélite. Os cientistas querem entender melhor este processo e, em particular, estão tentando entender quantos antiprótons são criados quando os prótons altamente energéticos dos raios cósmicos atingem os núcleos de hélio do meio interestelar.
A razão final para isso está relacionada à busca por sinais de matéria escura. A matéria escura é um tipo invisível de matéria - ou seja, não emite nenhum tipo de radiação eletromagnética - que constitui um quarto do conteúdo de matéria-energia de nosso universo, mas sua origem ainda é desconhecida. Se a matéria escura é feita de algum tipo de partículas estáveis (ainda não descobertas), cuja existência está prevista em muitas extensões do Modelo Padrão de física de partículas, essas partículas de matéria escura podem colidir e produzir partículas e antipartículas comuns, notavelmente incluindo antiprótons.
Contudo, antiprótons também podem ser criados por meio da colisão de prótons de raios cósmicos com núcleos de hidrogênio e hélio no meio interestelar. Portanto, um sinal potencial da presença de matéria escura poderia ser a observação de um número de antiprótons excedendo o esperado de processos "padrão". E realmente, os experimentos baseados no espaço PAMELA e AMS-02 encontraram exatamente esse excesso intrigante de antiprótons em comparação com prótons em medições de raios cósmicos, com um nível de precisão impressionante.
Eureka? Infelizmente ainda não, como nosso entendimento teórico da produção de antiprótons a partir de colisões de raios cósmicos ainda é afetado por grandes incertezas, especialmente com relação à probabilidade de produção de antiprótons em colisões próton-hélio (a chamada "seção transversal"). Uma determinação precisa do número esperado de antiprótons de raios cósmicos foi impossível até agora, evitando assim uma interpretação direta dos resultados dos experimentos de satélite.
Um exemplo de um evento de colisão de próton-hélio totalmente reconstruído no detector LHCb. A partícula identificada como um antipróton é mostrada em rosa. Crédito:colaboração LHCb
É aqui que o experimento LHCb entrou. A ideia de injetar gases nobres - como néon, hélio e argônio - no tubo de feixe próximo à região de interação foi proposto por várias razões relacionadas às medições de luminosidade do feixe de prótons. Mas seu potencial foi rapidamente reconhecido pelos físicos do LHCb e seus colegas que trabalham com física de astropartículas:a técnica de injeção de gás também poderia ser usada para simular o ambiente cósmico e medir, pela primeira vez, a seção transversal de produção de antiprótons em colisões de próton-hélio.
Os dados de colisão de próton-hélio usados nesta análise foram registrados no início de maio de 2016. Graças às suas capacidades especializadas na identificação de várias partículas, em particular antiprótons, o experimento LHCb também foi capaz de medir a seção transversal de produção de antiprótons em uma grande variedade de energias relevantes, alcançando uma precisão geral de cerca de 10%. Esta medição reduz significativamente a incerteza sobre os valores da seção transversal de produção de antimatéria em colisões de próton-hélio que foram usadas até agora em modelos teóricos de raios cósmicos (veja a imagem abaixo).
O resultado do LHCb terá um impacto considerável nas previsões para o número de antiprótons esperados de colisões de raios cósmicos com o meio interestelar, e a comunidade astrofísica agora está ocupada incorporando isso em seus cálculos. Este trabalho permitirá que a interpretação dos dados PAMELA e AMS-02 sobre o fluxo de antiprótons do espaço se tornem mais restritos, lançando luz sobre sua possível origem da matéria escura.
Mais informações sobre este resultado podem ser encontradas no site do LHCb.
