O modelo padrão da física de partículas descreve as propriedades e interações dos constituintes da matéria. O desenvolvimento desta teoria começou no início dos anos 1960, e em 2012 a última peça do quebra-cabeça foi resolvida com a descoberta do bóson de Higgs no Large Hadron Collider (LHC) no CERN na Suíça. Os experimentos confirmaram repetidamente as previsões muito precisas do Modelo Padrão.

Ainda, os pesquisadores têm razões para acreditar que a física além do modelo padrão existe e deve ser encontrada. Por exemplo, o modelo padrão não explica por que a matéria domina a antimatéria no universo. Também não fornece pistas sobre a natureza da matéria escura - a substância invisível que é cinco vezes mais prevalente do que a matéria regular que observamos.

Neste Q&A, a física de partículas Vera Lüth discute os resultados científicos que potencialmente apontam para a física além do modelo padrão. A professora emérita de física de partículas experimental do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia é co-autora de um artigo de revisão publicado hoje em Natureza que resume os resultados de três experimentos:BABAR no SLAC, Belle no Japão e LHCb no CERN.

Quais são as dicas de nova física que você descreve em seu artigo?

As dicas se originam de estudos de uma partícula elementar, conhecido como mesão B - uma partícula instável produzida na colisão de poderosos feixes de partículas. Mais precisamente, esses estudos analisaram os decaimentos do meson B que envolvem léptons - partículas elementares eletricamente carregadas e seus neutrinos associados. Existem três léptons carregados:o elétron, um componente crítico de átomos descoberto em 1897; o muon, observada pela primeira vez em raios cósmicos em 1937; e o tau muito mais pesado, descoberto no anel de armazenamento SPEAR elétron-pósitron (e + e-) no SLAC em 1975 por Martin Perl.

Devido às suas massas muito diferentes, os três léptons também têm vidas muito diferentes. O elétron é estável, enquanto o muon e o tau decaem em questão de microssegundos e uma fração de picossegundo, respectivamente. Uma suposição fundamental do Modelo Padrão é que as interações dos três léptons carregados são as mesmas se suas diferentes massas e tempos de vida forem levados em consideração.

Ao longo de muitos anos, diferentes experimentos testaram essa suposição - conhecida como "universalidade leptônica" - e até o momento nenhuma violação definitiva dessa regra foi observada. Agora temos indicações de que as taxas de decaimentos do meson B envolvendo léptons tau são maiores do que o esperado em comparação com as taxas medidas de decaimentos envolvendo elétrons ou múons, levando em consideração as diferenças de massa. Esta observação violaria a universalidade do leptão, uma suposição fundamental do Modelo Padrão.

O que realmente significa uma violação do Modelo Padrão?

Isso significa que há evidências para fenômenos que não podemos explicar no contexto do Modelo Padrão. Se tal fenômeno for firmemente estabelecido, o Modelo Padrão precisa ser estendido - introduzindo novas partículas fundamentais e também novas interações relacionadas a essas partículas.

Nos últimos anos, pesquisas por fenômenos fundamentalmente novos têm se baseado em medições de alta precisão para detectar desvios das previsões do Modelo Padrão ou em pesquisas por novas partículas ou interações com propriedades que diferem das conhecidas.

O que exatamente são os BABAR, Experimentos de Belle e LHCb?

São três experiências que desafiaram a universalidade do leptão.

Belle e BABAR foram dois experimentos projetados especificamente para estudar mésons B com precisão sem precedentes - partículas que são cinco vezes mais pesadas que o próton e contêm um quark bottom ou b. Esses estudos foram realizados em anéis de armazenamento e + e- que são comumente referidos como fábricas B e operam em energias de feixe de colisão altas o suficiente para produzir um par de mésons B, e nenhuma outra partícula. A BABAR operou no PEP-II da SLAC de 1999 a 2008, Belle na KEKB no Japão de 1999 a 2010. A grande vantagem desses experimentos é que os mesons B são produzidos aos pares, cada um decaindo em partículas mais leves - em média cinco partículas carregadas e um número semelhante de fótons.

O experimento LHCb continua a operar no colisor próton-próton LHC com energias que excedem as das fábricas B em mais de um fator de 1, 000. Nesta energia superior, Os mesões B são produzidos a uma taxa muito maior do que nas fábricas B. Contudo, em cada cruzamento das vigas, centenas de outras partículas são produzidas além dos mésons B. Esta característica complica tremendamente a identificação dos decaimentos do mesão B.

Para estudar a universalidade do leptão, todos os três experimentos focam em decaimentos B envolvendo um leptão carregado e um neutrino associado. Um neutrino não deixa rastros no detector, mas sua presença é detectada como falta de energia e momento em um decaimento B individual.

Que evidências você tem até agora para uma violação potencial da universalidade do leptão?

Todos os três experimentos identificaram decaimentos específicos do meson B e compararam as taxas de decaimentos envolvendo um elétron ou múon àquelas envolvendo o tau leptão de maior massa. Todos os três experimentos observam taxas de decaimento mais altas do que o esperado para os decaimentos com um tau. O valor médio dos resultados relatados, levando em consideração as incertezas estatísticas e sistemáticas, excede a expectativa do Modelo Padrão em quatro desvios padrão.

Este aprimoramento é intrigante, mas não considerado suficiente para estabelecer inequivocamente uma violação da universalidade leptônica. Para reivindicar uma descoberta, os físicos de partículas geralmente exigem uma significância de pelo menos cinco desvios-padrão. Contudo, o fato de que esse aprimoramento foi detectado por três experimentos, operando em ambientes muito diferentes, merece atenção. No entanto, mais dados serão necessários, e são esperados em um futuro não muito distante.

Qual foi o seu papel nesta pesquisa?

Como coordenador técnico da colaboração BABAR durante a construção do detector, Eu era a ligação entre os físicos e as equipes de engenharia, apoiado pela equipe de gerenciamento de projetos BABAR no SLAC. Com mais de 500 membros BABAR de 11 países, esta foi uma tarefa desafiadora, mas com a experiência combinada e a dedicação da colaboração, o detector foi concluído e está pronto para coletar dados em quatro anos.

Assim que os dados estiverem disponíveis, Voltei ao Grupo de Pesquisa C do SLAC e assumi a liderança de Jonathan Dorfan. Como organizador do grupo de trabalho de física em decaimentos B envolvendo léptons, Coordenei várias análises de cientistas de diferentes grupos externos, entre eles pós-doutorandos e estudantes de graduação do SLAC, e ajudou a desenvolver as ferramentas de análise necessárias para medições de precisão.

Quase 10 anos atrás, começamos a atualizar uma análise anterior realizada sob a liderança de Jeff Richman, da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara em B decai envolvendo léptons tau e os estendeu para o conjunto de dados BABAR completo. Isso resultou em uma taxa de decaimento surpreendentemente grande. A análise foi o tema da tese de doutorado do meu último aluno de graduação, Manuel Franco Sevilla, que ao longo de quatro anos fez uma série de contribuições absolutamente críticas que melhoraram significativamente a precisão desta medição, e, assim, aumentou seu significado.

O que o mantém animado com a física de partículas?

Nos últimos 50 anos, tenho trabalhado com física de partículas, Testemunhei um enorme progresso na teoria e em experimentos que levaram ao nosso entendimento atual dos constituintes da matéria e suas interações no nível mais fundamental. Mas ainda existem muitas perguntas sem resposta, de outras muito básicas, como "Por que as partículas têm certas massas e não outras?" a perguntas sobre a grande escala das coisas, como "Qual é a origem do universo, e há mais de um? "

A universalidade de Lepton é uma das premissas fundamentais do Modelo Padrão. Se fosse violado, devem existir novos processos físicos inesperados. Isso seria um grande avanço - ainda mais surpreendente do que a descoberta do bóson de Higgs, que foi previsto existir muitas décadas atrás.

Que resultados você espera no futuro próximo?

Na verdade, há muita coisa acontecendo no campo. Os pesquisadores do LHCb estão coletando mais dados e tentarão descobrir se a universalidade do leptão é de fato violada. Meu palpite é que devemos saber a resposta até o final deste ano. A confirmação será um grande acontecimento e sem dúvida desencadeará intensas pesquisas experimentais e teóricas.

No momento, não entendemos a origem do realce observado. Presumimos inicialmente que ele poderia estar relacionado a um parceiro carregado do bóson de Higgs. Embora as características observadas não correspondam às expectativas, uma extensão do modelo de Higgs poderia fazer isso. Outra possível explicação, que não pode ser confirmada nem excluída, é a presença dos chamados lepto-quarks. Essas questões abertas continuarão sendo um tópico muito interessante que precisa ser abordado por meio de experimentos e trabalho teórico.

Recentemente, Os cientistas do LHCb relataram um resultado interessante indicando que certos decaimentos do meson B incluem mais frequentemente um par de elétrons do que um par de múons. Contudo, a importância desta nova descoberta é de apenas cerca de 2,6 desvios padrão, por isso é muito cedo para tirar conclusões. BABAR e Belle não confirmaram esta observação.

Na fábrica B de próxima geração, Super-KEKB no Japão, o novo experimento Belle II está programado para começar seu programa de pesquisa planejado de 10 anos em 2018. Os novos conjuntos de dados muito grandes esperados abrirão muitas oportunidades para pesquisas por essas e outras indicações da física além do Modelo Padrão.