A experiência LHCb no CERN revelou uma assimetria fundamental no comportamento dos bárions.
Durante as
Rencontres de Moriond na Itália, a colaboração
LHCb no CERN anunciou que um novo passo foi dado na nossa compreensão das diferenças sutis, mas profundas, entre matéria e antimatéria.
Em sua
análise de vastas quantidades de dados produzidos pelo Grande Colisor de Hádrons (
LHC), a equipe internacional conseguiu demonstrar de forma conclusiva que as partículas chamadas bárions, que incluem os prótons e nêutrons que formam os núcleos atômicos, são influenciadas por uma assimetria espelhada nas leis fundamentais da natureza, fazendo com que matéria e antimatéria se comportem de maneira diferente.
Esta descoberta traz novas pistas para explicar o arranjo das partículas elementares que compõem a matéria no Modelo Padrão da física de partículas e entender por que, aparentemente, a matéria prevaleceu sobre a antimatéria após o Big Bang.
Observada pela primeira vez nos anos 1960 em mésons, partículas compostas por um par quark-antiquark, a violação da simetria carga-paridade (CP) tem sido alvo de muitos estudos baseados em experiências com alvos fixos ou em colisores. Esperava-se que a outra grande categoria de partículas conhecidas, os bárions, compostos por três quarks, também exibissem esse fenômeno, mas, até agora, experiências como a LHCb só haviam observado indícios desse efeito nos bárions.
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Se demorou mais para observar a violação de CP em bárions do que em mésons, foi devido à magnitude do fenômeno e ao volume de dados disponíveis", explica Vincenzo Vagnoni, porta-voz da colaboração LHCb. "
Precisávamos de uma máquina como o LHC, capaz de produzir um número suficientemente grande de bárions de beleza e seus equivalentes em antimatéria, e de uma experiência capaz de identificar seus produtos de decaimento. Foram necessários mais de 80.000 decaimentos de bárions para que pudéssemos observar, pela primeira vez, uma assimetria matéria-antimatéria nesta categoria de partículas."
Vista da experiência LHCb em sua caverna subterrânea (imagem: CERN)
Sabe-se que as partículas e seus equivalentes em antimatéria têm massa idêntica e cargas opostas. No entanto, quando partículas decaem em outras partículas, como no caso da desintegração radioativa de um núcleo atômico, a violação de CP cria uma fissura nessa simetria espelhada. Esse efeito pode se manifestar como uma diferença nas taxas de decaimento em partículas mais leves, dependendo se observamos as partículas ou suas contrapartes em antimatéria. Essas diferenças podem ser detectadas usando detectores e técnicas de análise altamente sofisticados.
A colaboração LHCb observou a violação de CP em um bárion mais pesado e efêmero que prótons e nêutrons, o bárion lambda Λ
b, composto por um quark up, um quark down e um quark beleza. Primeiro, a equipe analisou os dados coletados pelo detector LHCb durante o primeiro e o segundo períodos de operação do LHC (2009-2013 e 2015-2018, respectivamente), buscando o decaimento do Λ
b em um próton, um kaon e um par de píons de carga oposta, bem como o decaimento de seu equivalente em antimatéria, o anti-Λ
b. Em seguida, contabilizaram o número de decaimentos observados para cada uma dessas partículas e calcularam a diferença.
A análise mostrou que a diferença entre o número de decaimentos de Λ
b e anti-Λ
b, dividida pela soma dos dois, desvia-se de zero em 2,45%, com uma incerteza de cerca de 0,47%. Estatisticamente, o resultado desvia-se de zero em 5,2 desvios-padrão, ultrapassando o limiar necessário para afirmar a observação da violação de CP nesse decaimento de bárion.
Embora a existência de violação de CP em bárions já fosse esperada há muito tempo, as previsões complexas do Modelo Padrão da física de partículas ainda não são suficientemente precisas para permitir uma comparação detalhada entre teoria e as medições realizadas pelo LHCb.
Surpreendentemente, o grau de violação de CP previsto pelo Modelo Padrão é várias ordens de magnitude menor do que o necessário para explicar a assimetria matéria-antimatéria observada no Universo. Isso sugere que existem outras fontes de violação de CP além das previstas pelo Modelo Padrão. A busca por essas fontes é uma parte importante do programa de física do LHC e continuará nos futuros colisores que o sucederão.
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Quanto mais sistemas em que observamos violações de CP, mais precisas são as medições e mais oportunidades temos de testar o Modelo Padrão e explorar a física além dele", explica Vincenzo Vagnoni. "
A primeira observação da violação de CP em um decaimento de bárions abre caminho para novas pesquisas teóricas e experimentais sobre a natureza da violação de CP, potencialmente estabelecendo novos limites para a física além do Modelo Padrão."
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Parabenizo a colaboração LHCb por este resultado brilhante.
Ele destaca mais uma vez o potencial científico do LHC e suas experiências, oferecendo uma nova ferramenta para explorar a assimetria matéria-antimatéria no Universo", declara Joachim Mnich, diretor de pesquisa e computação do CERN.
Fonte: CERN