Uma transformação de simetria CP troca uma partícula com a imagem espelhada de sua antipartícula. A colaboração do LHCb observou uma quebra desta simetria nos decaimentos do meson D0 (ilustrado pela grande esfera à direita) e sua contraparte de antimatéria, o anti-D0 (grande esfera à esquerda), em outras partículas (esferas menores). A extensão da quebra foi deduzida da diferença no número de decaimentos em cada caso (barras verticais, apenas para ilustração). Crédito:CERN
Físicos do College of Arts and Sciences da Syracuse University confirmaram que a matéria e a antimatéria decaem de maneira diferente para as partículas elementares que contêm quarks encantados.
O distinto professor Sheldon Stone diz que as descobertas são inéditas, embora a assimetria matéria-antimatéria tenha sido observada antes em partículas com quarks estranhos ou quarks de beleza.
Ele e membros do grupo de pesquisa de Física de Alta Energia (HEP) mediram, pela primeira vez e com 99,999 por cento de certeza, uma diferença na maneira D 0 mésons e anti-D 0 mésons se transformam em subprodutos mais estáveis.
Mésons são partículas subatômicas compostas por um quark e um antiquark, unidos por fortes interações.
"Tem havido muitas tentativas de medir a assimetria matéria-antimatéria, mas, até agora, ninguém conseguiu, "diz Stone, que colabora no experimento de beleza do Large Hadron Collider (LHCb) no laboratório do CERN em Genebra, Suíça. "É um marco na pesquisa da antimatéria."
As descobertas também podem indicar uma nova física além do modelo padrão, que descreve como as partículas fundamentais interagem umas com as outras. "Até então, precisamos aguardar tentativas teóricas para explicar a observação em meios menos esotéricos, " ele adiciona.
Cada partícula de matéria tem uma antipartícula correspondente, idêntico em todos os sentidos, mas com uma carga oposta. Estudos de precisão de átomos de hidrogênio e anti-hidrogênio, por exemplo, revelam semelhanças além da bilionésima casa decimal.
Quando as partículas de matéria e antimatéria entram em contato, eles se aniquilam em uma explosão de energia - semelhante ao que aconteceu no Big Bang, cerca de 14 bilhões de anos atrás.
"É por isso que há tão pouca antimatéria que ocorre naturalmente no Universo ao nosso redor, "diz Stone, um membro da American Physical Society, que o premiou com o W.K.H. deste ano Prêmio Panofsky em Física Experimental de Partículas.
A questão na mente de Stone envolve a natureza igual, mas oposta, da matéria e da antimatéria. "Se a mesma quantidade de matéria e antimatéria explodisse no nascimento do Universo, não deveria haver nada deixado para trás, exceto energia pura. Obviamente, isso não aconteceu, "ele diz em um sopro de eufemismo.
Assim, Stone e seus colegas do LHCb têm procurado diferenças sutis na matéria e na antimatéria para entender por que a matéria é tão prevalente.
A resposta pode estar no CERN, onde os cientistas criam antimatéria ao esmagar prótons no Grande Colisor de Hádrons (LHC), o maior do mundo, mais poderoso acelerador particular. Quanto mais energia o LHC produz, quanto mais massivas são as partículas - e antipartículas - formadas durante a colisão.
O Large Hadron Collider (LHC) na Suíça é o maior do mundo, mais poderoso acelerador de partículas. Crédito:CERN
É nos escombros dessas colisões que cientistas como Ivan Polyakov, um pós-doutorado no grupo HEP de Syracuse, caça para ingredientes de partículas.
"Não vemos antimatéria em nosso mundo, então temos que produzi-lo artificialmente, "ele diz." Os dados dessas colisões nos permitem mapear a decadência e a transformação de partículas instáveis em subprodutos mais estáveis. "
HEP é conhecido por sua pesquisa pioneira em quarks - partículas elementares que são os blocos de construção da matéria. Existem seis tipos, ou sabores, de quarks, mas os cientistas geralmente falam sobre eles em pares:para cima / para baixo, charme / estranho e superior / inferior. Cada par tem uma massa correspondente e carga eletrônica fracionada.
Além do quark de beleza (o "b" em "LHCb"), HEP está interessado no quark encantado. Apesar de sua massa relativamente alta, um quark encantado vive uma existência fugaz antes de se decompor em algo mais estável.
Recentemente, HEP estudou duas versões da mesma partícula. Uma versão continha um quark encantado e uma versão de antimatéria de um quark up, chamado de quark anti-up. A outra versão tinha um quark anti-charme e um quark up.
Usando dados do LHC, eles identificaram ambas as versões da partícula, bem na casa das dezenas de milhões, e contou o número de vezes que cada partícula decaía em novos subprodutos.
"A proporção dos dois resultados possíveis deveria ser idêntica para os dois conjuntos de partículas, mas descobrimos que as taxas diferiam em cerca de um décimo de um por cento, "Stone diz." Isso prova que as partículas de matéria encantada e antimatéria não são totalmente intercambiáveis.
Adiciona Polyakov, "As partículas podem ter a mesma aparência do lado de fora, mas eles se comportam de maneira diferente por dentro. Esse é o enigma da antimatéria. "
A ideia de que matéria e antimatéria se comportam de maneira diferente não é nova. Estudos anteriores de partículas com quarks estranhos e quarks bottom confirmaram como tal.
O que torna este estudo único, Stone conclui, é que é a primeira vez que alguém testemunha partículas com quarks encantados sendo assimétricos:"É um para os livros de história."
