Elétrons com 'colegas' - outros leptons - são um dos muitos produtos de colisões observados no experimento LHCb no Large Hadron Collider. De acordo com os teóricos, algumas dessas partículas podem ser criadas em processos que vão além da física padrão. A última análise verifica essas previsões.

As anomalias observadas no experimento LHCb no decaimento de mésons B escondem partículas até então desconhecidas de fora do modelo padrão atualmente válido e bem testado? Para responder a esta pergunta, os físicos não procuram apenas mais sinais da existência de novas partículas, mas também para rastros dos fenômenos que podem ocorrer com eles. Um dos processos propostos por teóricos que vão além do mundo da física conhecida é a quebra do princípio de preservação do sabor do leptão. Este fenômeno hipotético estava no centro do interesse de um grupo internacional de pesquisadores, que incluiu representantes do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (IFJ PAN) em Cracóvia, Technische Universität em Dortmund (TUD) e Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) em Paris. Eles prestaram atenção especial à análise dos dados coletados em 2011-12 durante as colisões de prótons como parte do experimento LHCb no Grande Colisor de Hádrons no CERN, perto de Genebra. Seus resultados são discutidos no prestigioso Cartas de revisão física .

Graças a décadas de experimentos e medições realizadas por físicos nucleares e pesquisadores de raios cósmicos, sabe-se que as partículas da matéria são divididas em duas famílias completamente independentes:quarks e leptons (com suas contrapartes de antimatéria). Quarks (para cima, baixa, charme, estranho, superior e inferior) sempre aparecem em grupos. Sistemas de dois quarks são conhecidos como mésons, aqueles compostos de três quarks são bárions. Os últimos incluem prótons e nêutrons, as partículas que constituem os núcleos atômicos. Por sua vez, léptons incluem elétrons, múons, partículas tau e seus neutrinos correspondentes.

"As propriedades dos léptons e quarks diferem fundamentalmente. Como resultado, ambos os grupos de partículas são descritos usando conjuntos de números diferentes, chamados de números quânticos. Um dos números quânticos usados ​​para descrever os leptões é o número do leptão. Por exemplo, cada elétron tem um número de elétron de 1. Por sua vez, contrapartes de antimatéria de elétrons, ou seja, pósitrons, tem um número de elétrons de -1, "explica o Dr. Jihyun Bhom (IFJ PAN), o principal autor da análise. "É assim que chegamos ao fenômeno-chave para explicar o significado do nosso trabalho. No Modelo Padrão, o princípio de preservar o número do leptão se aplica. Diz que a soma do número de leptões das partículas no início e no final do processo deve ser sempre a mesma. "

O requisito de preservar o número do leptão significa que se, por exemplo, dois elétrons com um número total de elétrons de dois participam de uma interação, ao final do processo esse número também será dois. No exemplo apresentado, no modelo padrão, é possível produzir dois elétrons, bem como quatro elétrons e dois pósitrons, e assim por diante.

Tanto os léptons quanto os quarks podem ser divididos em três grupos chamados gerações. A existência do mesmo número de gerações de léptons e quarks levou os teóricos a supor que, com energia suficientemente alta, léptons e quarks poderiam "fundir-se" em leptoquarks, partículas hipotéticas com características tanto de leptons quanto de quarks. Se eles existissem, leptoquarks devem ser partículas instáveis ​​com massas muito altas, comparável até mesmo à massa de um núcleo de chumbo inteiro.

“Em processos envolvendo leptoquarks, os números do leptão não são preservados. A detecção de vestígios de fenômenos onde o princípio de preservação do número de leptões foi violado seria, portanto, um passo significativo no caminho para a detecção de partículas fora do Modelo Padrão. Em particular, tornaria mais fácil para nós interpretar a natureza das anomalias que têm sido recentemente cada vez mais claramente visíveis nos dados do decaimento dos mésons B, isto é, partículas contendo o quark down e o quark bottom, "diz o Dr. Bhom.

Nas últimas análises estatísticas, revelou-se necessário usar inteligência artificial - e não apenas uma.

"Estávamos interessados ​​nos decaimentos do meson B levando à formação do meson K, um múon e um elétron. Contudo, acontece que no modelo padrão, uma proporção significativa de decaimentos do mesão B conduzem exatamente aos mesmos produtos com a adição de neutrinos (o último não pode ser registrado). Esse enorme pano de fundo teve que ser eliminado com muita precisão dos dados coletados. Uma inteligência artificial foi responsável por esta tarefa. O segundo se mostrou necessário para se livrar dos resíduos de fundo que passaram pelo primeiro, "explica o Dr. Bhom.

Apesar do uso de ferramentas matemáticas sofisticadas, os pesquisadores do IFJ PAN, O TUD e o CNRS não conseguiram detectar vestígios de fenômenos que quebrassem a preservação do número de leptões. Contudo, Tudo tem um lado positivo.

"Com uma certeza de até 95%, melhoramos as restrições existentes nas soluções apresentadas pelos teóricos para explicar a presença de anomalias no decaimento dos mésons B em toda uma ordem de magnitude. Como resultado, somos os primeiros a estreitar significativamente a área de busca de teorias que explicam a existência dessas anomalias usando a nova física, "enfatiza o Dr. Bhom.

Se eles existem, processos que quebram o princípio de preservação do número de leptões obviamente ocorrem com muito menos frequência do que poderia ser previsto pelas extensões mais populares do Modelo Padrão envolvendo leptoquarks. O que mais, anomalias no decaimento dos próprios mésons B não precisam estar associadas a novas partículas. Ainda não se pode excluir a possibilidade de que sejam artefatos de técnicas de medição, as ferramentas matemáticas utilizadas ou o resultado de não se levar em consideração algum fenômeno que ocorre dentro da física atualmente conhecida. Só podemos esperar que, subsequentemente, análises já iniciadas, levando em consideração os dados mais recentes coletados no LHC, finalmente dissipará as dúvidas sobre a existência de física além do Modelo Padrão dentro de alguns anos.