A partir dos dados coletados pelo detector LHCb no Large Hadron Collider, parece que as partículas conhecidas como mésons de encantamento e suas contrapartes de antimatéria não são produzidas em proporções perfeitamente iguais. Físicos da Cracóvia propuseram sua própria explicação para esse fenômeno e apresentaram previsões relacionadas sobre as consequências que são particularmente interessantes para a astronomia de neutrinos de alta energia.

Nos primeiros momentos após o Big Bang, o universo estava cheio de quantidades iguais de partículas e antipartículas. Enquanto estava esfriando, matéria e antimatéria começaram a se fundir e aniquilar, tornando-se radiação. A matéria que sobreviveu à aniquilação agora compreende o universo, mas esse desequilíbrio é mal compreendido. Para decifrar este grande mistério da ciência moderna, os físicos estão tentando entender melhor todos os mecanismos responsáveis ​​mesmo pelas menores desproporções na produção de partículas e antipartículas. Um grupo de cientistas do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (IFJ PAN) em Cracóvia, associado ao experimento LHCb no Large Hadron Collider em Genebra, recentemente olhei para um desses processos:a assimetria que aparece no nascimento de mésons e antimesons de charme. As conclusões da análise podem ter um significado prático muito tangível.

De acordo com a física moderna, quarks são os blocos de construção indivisíveis mais importantes que constituem a matéria. Conhecemos seis sabores de quarks:up (u), para baixo (d), estranho (s), charme (c), inferior (b) e superior (t); cada sabor também tem sua própria contraparte de antimatéria (muitas vezes marcada com um travessão acima da letra, leia como "barra"). Quarks são geralmente formados em pares quark-antiquark. Eles são partículas extremamente sociáveis:quase imediatamente após surgirem, eles se ligam aos hádrons, ou grupos de dois, três, e às vezes mais quarks ou antiquarks, ligado com glúons (ou seja, partículas que transferem fortes interações nucleares). O processo de combinar quarks / antiquarks em complexos é chamado de hadronização.

Hádrons instáveis ​​construídos a partir de pares quark-antiquark são chamados de mésons. Se um dos quarks em um meson é um quark charme, a partícula é chamada de meson charme e é denotada pela letra D (ou para o antiquark charme:D com uma barra acima dela). Um par construído de um quark charme e um antiquark down é um meson D +, e um que consiste em um antiquark charmoso e quark down é um D-meson.

Em medições realizadas no último quarto de século, incluindo recentemente como parte do experimento LHCb, uma assimetria interessante foi notada. Descobriu-se que os mésons D + e D- nem sempre são produzidos exatamente nas mesmas proporções. No caso de processos observados no LHCb, iniciada em colisões de feixes de contra-corrente de prótons de alta energia, essa assimetria era pequena, menos de um por cento.

"Os quarks Charm são formados principalmente durante as colisões de glúons nas chamadas interações duras, e depois do nascimento, eles se transformaram em mésons D. Nós investigamos outro mecanismo de formação de mésons, conhecido como fragmentação de quark desfavorável. Aqui, o mesão de charme é criado como resultado da hadronização de uma luz (para cima, baixa, ou estranho) quark ou antiquark. Por meio das nuances desse mecanismo, a assimetria entre kaons e antikaons, isto é, mésons K + e K-, foi explicado anteriormente. Até agora, Contudo, não foi investigado se um mecanismo semelhante poderia explicar a assimetria entre os mésons D + e D- relativamente massivos, "diz o Dr. Rafal Maciula (IFJ PAN), o primeiro autor da publicação na revista Revisão Física D .

O detector LHCb mede principalmente as partículas que divergem do ponto de colisão dos prótons em grandes ângulos para a direção original do movimento desses prótons. De acordo com os físicos baseados em Cracóvia, a assimetria na produção de mésons D deve ser muito maior se as partículas produzidas na direção direta forem levadas em consideração, isso é, ao longo da direção dos feixes de prótons. Isso significa que a desproporção observada atualmente pode ser apenas a ponta do iceberg. Os cálculos sugerem que, no caso de colisões "para frente", fragmentação desfavorável (d, você, s 'D) pode ser comparável à fragmentação convencional (c' D). Como resultado, a assimetria entre os mésons D + e D- pode atingir uma alta porcentagem, mesmo com energias de colisão mais baixas do que as que ocorrem atualmente no LHC.

A pesquisa dos físicos do IFJ PAN pode ter consequências de longo alcance para os observatórios de neutrinos, como o Observatório IceCube, na Antártica. Este detector, em que 49 instituições científicas de 12 países colaboram, monitora um quilômetro cúbico de gelo, localizado quase um quilômetro abaixo da superfície, usando milhares de fotomultiplicadores. Fotomultiplicadores rastreiam flashes de luz sutis iniciados pela interação de partículas formadoras de gelo com neutrinos, partículas elementares interagindo muito fracamente com a matéria comum.

O IceCube registra várias centenas de neutrinos por dia. Sabe-se que grande parte deles são criados na atmosfera terrestre em processos iniciados por raios cósmicos e ocorrendo com a participação de prótons. Outros neutrinos podem vir do núcleo da Terra ou do Sol. É assumido, Contudo, que os neutrinos com energias significativas alcançaram o detector diretamente de fontes cósmicas distantes, incluindo supernovas, fusão de buracos negros ou estrelas de nêutrons.

"Ao interpretar os dados do detector IceCube, a produção de neutrinos na atmosfera terrestre causada pela radiação cósmica comum, incluindo colisões envolvendo prótons, é levado em consideração. O fato é que alguns desses processos, resultando na formação de neutrinos com altas energias, acontecem com a participação de D mesons. Enquanto isso, mostramos que o mecanismo de produção desses mésons na atmosfera pode ser muito mais eficiente do que se pensava. Então, se nossas suposições forem confirmadas, alguns dos neutrinos altamente energéticos registrados, agora considerado de origem cósmica, realmente apareceram logo acima de nossas cabeças e estão perturbando a imagem real dos eventos nas profundezas do espaço, "explica o Prof. Antoni Szczurek (IFJ PAN).

Quando apenas a ponta do iceberg pode ser vista, inferências sobre como o resto se parece é mais do que arriscado. O modelo proposto pelos físicos radicados em Cracóvia tem hoje o status de uma hipótese. Talvez descreva completamente o mecanismo que ocorre na realidade. Mas também pode ser que outros processos sejam responsáveis ​​pela assimetria na produção de mésons D, talvez parcialmente ou mesmo em sua totalidade.

"Felizmente, nenhuma outra proposta competitiva prevê um aumento tão claro na assimetria na produção de mésons D em energias de colisão mais baixas. Então, para verificar nossas suposições, seria suficiente no acelerador do LHC direcionar um único feixe para um alvo estacionário, o que reduziria significativamente a energia de colisão. Nosso modelo, portanto, atende aos critérios de uma ciência muito confiável:ele não apenas explica as observações anteriores, mas acima de tudo, pode ser verificado rapidamente. Além disso, isso pode ser feito de forma muito barata, "diz o Prof. Szczurek.