E se a probabilidade de um evento ocorrer fosse de cerca de uma em dez bilhões? Este é o caso da decomposição de uma partícula carregada positivamente conhecida como kaon em outra partícula carregada positivamente chamada píon e um par neutrino-antineutrino. Ainda, um evento tão raro, que nunca foi observado com certeza, é algo em que os físicos de partículas realmente querem colocar as mãos. O motivo? O Modelo Padrão prevê essas chances de um em dez bilhões com uma incerteza de menos de dez por cento. Um desvio desta previsão, revelado por uma medição precisa da decadência, poderia, portanto, ser um indicador claro de física além do Modelo Padrão.

Em um seminário que acontece hoje no CERN, a colaboração do NA62 relata um evento candidato a esse decaimento kaon ultra-raro encontrado usando uma nova abordagem de "decaimento em vôo". Embora este único evento não possa ser usado para sondar a física além do Modelo Padrão, demonstra que a abordagem funciona bem e pode ser aplicada para capturar mais eventos na próxima execução de coleta de dados, que começa em meados de abril. O resultado também foi apresentado no início deste mês na conferência Rencontres de Moriond em La Thuile, Itália.

Para procurar decaimentos de Kaon, a equipe do NA62 primeiro faz feixes ricos em kaons, disparando prótons de alta energia do acelerador Super Proton Synchrotron (SPS) em um alvo de berílio. A colisão cria um feixe de quase um bilhão de partículas por segundo, apenas cerca de 6% dos quais são kaons. Próximo, a equipe envia o feixe através de um detector Cherenkov, que identifica positivamente os kaons da radiação Cherenkov que eles produzem. Um detector de pixel de silício então determina o momento dos kaons com uma resolução de tempo de 100 picossegundos. Um dispositivo chamado rastreador de canudo, colocado dentro do tanque de vácuo, por sua vez, mede o momento das partículas filhas carregadas nas quais os Kaons decaem, e outro detector Cherenkov chamado RICH determina o tipo das partículas. Outros dispositivos conhecidos como calorímetros rejeitam eventos indesejados de fundo com fótons e múons.

Em sua análise de dados coletados ao longo de 2016, a equipe do NA62 identificou um evento candidato de decadência de um kaon com carga positiva em um píon com carga positiva e um par neutrino-antineutrino que escapa sem ser detectado. O resultado permitiu aos pesquisadores colocar um limite superior na frequência relativa, ou "fração de ramificação", da decadência de 14 em 10 bilhões. O resultado é compatível com a previsão do Modelo Padrão, que é 8,4 em 100 bilhões (com uma incerteza de 1), mas são necessários mais dados para investigar teorias além do modelo padrão, que prevêem desvios do valor do modelo padrão.

Esta não é a primeira vez que indícios dessa decadência foram observados. Vários eventos candidatos foram relatados anteriormente pelo experimento E949 e seu predecessor E787 no Laboratório Nacional de Brookhaven em Long Island, Nova york. Esses eventos candidatos foram usados ​​para inferir uma fração de ramificação de 17,3 em 100 bilhões (com uma incerteza de cerca de 11), o que é consistente, dentro de grandes erros, com a previsão do Modelo Padrão.

Mas há uma diferença entre os experimentos de Brookhaven e NA62:enquanto o primeiro observou o decaimento do Kaon com as partículas em repouso em um alvo, NA62 os observa enquanto as partículas estão voando dentro do tanque de vácuo. Essa nova abordagem em vôo tem vantagens porque oferece muito mais espaço para detecção e imunidade a eventos de segundo plano.

A equipe do NA62 espera identificar mais eventos do raro decaimento do Kaon na análise em andamento de um conjunto de dados vinte vezes maior feito em 2017, e começará a coletar dados novamente em meados de abril para um número recorde de 218 dias. Se tudo correr como planejado, a colaboração deve ser capaz de medir a fração de ramificação do decaimento com uma incerteza pequena o suficiente para fazer um teste preciso do modelo padrão.