Cientistas do CERN relataram sua primeira evidência significativa de um processo previsto pela teoria, pavimentando o caminho para pesquisas por evidências de novas físicas em processos de partículas que poderiam explicar a matéria escura e outros mistérios do universo.

Hoje, a colaboração do CERN NA62, que é parcialmente financiado pelo Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia do Reino Unido (STFC) e envolve vários cientistas do Reino Unido, apresentou na conferência ICHEP 2020 em Praga a primeira evidência experimental significativa para o decaimento ultra-raro do kaon carregado em um píon carregado e dois neutrinos, (ou seja, K ⁺ → π ⁺ νν).

O processo de decaimento é importante na pesquisa de ponta da física porque é muito sensível a desvios das previsões teóricas. Isso significa que é uma das coisas mais interessantes a serem observadas pelos físicos em busca de evidências que apóiem ​​o modelo teórico alternativo em física de partículas.

Professor Mark Thomson, físico de partículas e presidente executivo do STFC, disse que este era um progresso empolgante porque o resultado mostra como medições precisas desse processo podem levar a uma nova física, além do modelo padrão da física de partículas desenvolvido na década de 1970:

"O modelo padrão descreve as forças fundamentais e os blocos de construção do universo. É uma teoria de grande sucesso, mas existem vários mistérios do universo que o Modelo Padrão não explica, como a natureza da matéria escura e as origens do desequilíbrio matéria-antimatéria no universo.

"Os físicos têm procurado extensões teóricas para o modelo padrão. As medições de processos ultra-raros fornecem um caminho empolgante para explorar essas possibilidades, com a esperança de descobrir uma nova física além do modelo padrão. "

Os participantes do Reino Unido nesta pesquisa são das Universidades de Birmingham, Bristol, Glasgow e Lancaster, e foram financiados pelo STFC, que faz parte do UK Research and Innovation, bem como pela Royal Society e o European Research Council (ERC).

O experimento NA62 foi projetado e construído, com uma contribuição significativa do Reino Unido, especificamente para a medição desses decaimentos Kaon ultra-raros, de kaons produzidos por um feixe de prótons de alta intensidade exclusivo fornecido pelo complexo acelerador CERN. Os kaons são criados colidindo prótons de alta energia do Super Proton Synchrotron (SPS) do CERN em um alvo de berílio estacionário. Isso cria um feixe de partículas secundárias que contém e propaga quase um bilhão de partículas por segundo, cerca de 6% dos quais são kaons. O principal objetivo do NA62 é medir precisamente como a partícula de kaon carregada decai em um píon e um par neutrino-antineutrino. O Reino Unido tem um importante papel de liderança na K ⁺ → π ⁺ análise de decaimento νν.

"Este processo de decaimento de Kaon é chamado de 'canal dourado' por causa da combinação de ser ultra-raro e excelentemente previsto no Modelo Padrão. É muito difícil de capturar e é uma promessa real para cientistas em busca de uma nova física, "explica a professora Cristina Lazzeroni, Físico de partículas da Universidade de Birmingham, e porta-voz do NA62.

“Esta é a primeira vez que conseguimos obter evidências experimentais significativas para este processo de decaimento. É um momento emocionante porque é uma etapa fundamental para capturar a medição precisa do decaimento e identificar possíveis desvios do modelo padrão.

"Por sua vez, isso nos permitirá encontrar novas maneiras de compreender nosso universo. Os instrumentos e técnicas desenvolvidos no experimento NA62 levarão à próxima geração de experimentos raros de decaimentos Kaon. "

O novo resultado medido com uma precisão de 30%, fornece a medição mais precisa até o momento desse processo. O resultado é consistente com a expectativa do Modelo Padrão, mas ainda deixa espaço para a existência de novas partículas.

Mais dados são necessários para se chegar a uma conclusão definitiva sobre a presença ou não de uma nova física.

O bolsista do STFC Ernest Rutherford, Dr. Giuseppe Ruggiero, da Lancaster University, é o principal analista dessa medição desde 2016, e ajudou a criar o experimento. Ele disse:

"Analisar os dados do experimento foi um verdadeiro desafio. Tivemos que suprimir uma grande quantidade de dados indesejados, em cerca de um bilhão de vezes. E tivemos que fazer isso sem perder o minúsculo sinal que queríamos detectar. Isso é muito mais desafiador do que encontrar uma agulha em um milhão de palheiros! Usamos um método denominado técnica de análise cega. Assim chamado, porque a análise é feita sem olhar para a região, ou "caixa cega", onde o sinal deveria estar. "

O STFC também financiou duas bolsas Ernest Rutherford, um na Universidade de Liverpool e depois em Lancaster, e um na Universidade de Birmingham. Além disso, três alunos de doutorado da University of Birmingham receberam apoio do STFC e um está trabalhando como pesquisador de pós-doutorado no projeto. Todos os cinco físicos do 'início de carreira' trabalharam no projeto.

Os dados usados ​​na pesquisa foram coletados entre 2016-2018 no site Prevessin do CERN, na França, e a pesquisa envolve mais de 200 cientistas de 31 instituições. Um novo período de coleta de dados terá início em 2021 e permitirá que a colaboração do NA62 dê uma resposta mais definitiva à questão da nova física.

as evidências

O novo resultado vem de uma análise detalhada do conjunto completo de dados NA62 coletados até agora, correspondente à exposição de 6 × 10 ¹² Kaon decai. Porque o processo que está sendo medido é tão raro, a equipe teve que ser particularmente cuidadosa para não fazer nada que pudesse distorcer o resultado. Por essa razão, o experimento foi realizado como uma 'análise cega', onde os físicos inicialmente olham apenas para o pano de fundo para verificar se seu entendimento das várias fontes está correto.

Apenas quando eles estiverem satisfeitos com isso, eles olham para a região dos dados onde se espera que o sinal esteja; isso é chamado de "análise cega". Seguindo uma análise cega, dezessete K ⁺ → π ⁺ νν candidatos são observados no principal conjunto de dados coletados em 2018, revelando um excesso significativo sobre o histórico esperado de apenas 5,3 eventos.

Esse excesso leva às primeiras evidências desse processo (com significância estatística acima do nível "três sigma"). A taxa de decaimento, medido com uma precisão de 30%, fornece a medição mais precisa até o momento desse processo. O resultado é consistente com a expectativa do Modelo Padrão, mas ainda deixa espaço para novos efeitos físicos. Mais dados são necessários para se chegar a uma conclusão definitiva sobre a presença ou não de uma nova física.

A probabilidade desse processo acontecer, chamado de "razão de ramificação", para o ultra-raro K ⁺ → π ⁺ O decaimento νν é muito pequeno e previsto dentro do modelo padrão da física de partículas com uma alta precisão:(8,4 ± 1,0) × 10 ^-11 . Isso leva a uma sensibilidade excepcional aos possíveis fenômenos além da descrição do Modelo Padrão, tornando esta decadência um "modo dourado", ou seja, um dos observáveis ​​mais interessantes na fronteira de precisão da física de partículas. O estudo experimental é, no entanto, extremamente desafiador devido à pequena taxa, um par de neutrinos no estado final, e enormes processos em segundo plano em potencial. Pelas suas características, o experimento NA62 tem excelente sensibilidade a uma variedade de raros decaimentos de Kaon e processos exóticos.

A colaboração do NA62 está se preparando para coletar um conjunto de dados ainda maior em 2021–24, quando o CERN SPS reiniciará a operação, obter dados em uma intensidade de feixe mais alta com uma linha de feixe e configuração de detector aprimoradas. O próximo alvo é uma observação de "cinco sigma" do K ⁺ → π ⁺ decaimento νν, seguido por uma medição da taxa de decaimento com uma precisão de 10%, fornecendo assim um poderoso teste independente do Modelo Padrão da física de partículas. O horizonte de um novo programa de física com uma sensibilidade a taxas de decaimento bem abaixo de 10 ^-11 nível está agora à vista.

Para um futuro de longo prazo, um programa de feixe kaon de alta intensidade está começando a tomar forma, com clientes em potencial para medir o K ⁺ → π ⁺ νν decai para uma precisão de alguns%, para lidar com a decadência análoga do kaon neutro, KL → π ⁰ νν, e alcançar sensibilidades extremas a uma grande variedade de raros decaimentos de kaon que são complementares às investigações no setor de quarks de beleza.