Novos resultados vindos de um dos experimentos instalados no LHC, o maior acelerador de partículas do mundo, podem trazer pistas do que estaria faltando em nossa compreensão da física de partículas e, de quebra, ajudar a explicar por que o Universo é feito de matéria, e não de antimatéria.
O trabalho, que tem forte participação brasileira (centrada no Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, no Rio de Janeiro), foi apresentado durante um seminário do Cern (Centro Europeu de Física de Partículas, localizado em Genebra, na Suíça) na última terça (15), mas ainda não rendeu um artigo científico publicado em periódico com revisão por pares —isso está sendo retardado em razão da invasão russa na Ucrânia.
O LHC (sigla inglesa para Grande Colisor de Hádrons) é um enorme circuito fechado de 27 km em que supercondutores, por meio de campos magnéticos, aceleram prótons a altíssimas velocidades, para depois fazê-los colidir de frente um com o outro.
Para quê? Quando esses prótons colidem, sua massa e toda a energia de movimento acumulada (conforme eles são acelerados a velocidades próximas à da luz) são convertidas em uma torrente de partículas de todo tipo, que então são analisadas por detectores instalados em vários pontos ao redor do anel.
Cada um desses pontos tem um experimento específico, e dessa vez estamos falando do LHCb, um dos quatro mais importantes instalados no acelerador. Outros dois, CMS e Atlas, ficaram famosos em 2012, quando foi anunciada a descoberta do bóson de Higgs, celebrado como a figurinha que faltava para completar o álbum do chamado modelo padrão da física de partículas.
Esse é o nome que se dá ao amplo arcabouço teórico que reúne todas as partículas conhecidas e suas interações. É um resumão de tudo que entendemos sobre os componentes do universo, escorado na mecânica quântica (excluída apenas a força da gravidade, por motivos que até hoje os físicos coçam a cabeça para entender).
Todo mundo festejou a descoberta do Higgs, rendeu Prêmio Nobel e tal, mas depois da alegria restou a angústia: há muitos motivos para acreditar que o modelo padrão está incompleto. A matéria escura, por exemplo, sabemos que existe (porque tem efeitos gravitacionais astrofísicos notáveis), mas não tem correspondência com nada no modelo padrão. E, claro, há questões fundamentais ainda a serem respondidas, como a composição da matéria do cosmos, que não encontram resposta no modelo.
Entra em cena o LHCb, com um resultado que pode começar a ajudar a superar o que os físicos como Rogério Rosenfeld, da Unesp (e não envolvido com o atual trabalho), chamam de pHd: "post-Higgs depression", ou depressão pós-Higgs. Seu foco é estudar o processo de decaimento de partículas instáveis conhecidas como mésons B. Elas são compostas por um quark e um antiquark, sendo que esse antiquark é do tipo b (de bottom, ou beauty).
Se você nunca ouviu falar nos quarks, não se sinta mal. Eles não existem avulsos no universo, exceto em situações extremas. Sua combinação mais estável e típica é em trios, onde eles formam os conhecidíssimos prótons e nêutrons. Mas os mésons B surgem dos estilhaços das colisões de prótons do LHC e, quando sofrem decaimento (o que ocorre muito rápido), o que resta deles pode ser analisado pelos detectores do LHCb.
Observando esse processo toneladas de vezes, a equipe da colaboração LHCb vai notando quais são os produtos desse decaimento. E aqui entra a revelação crucial: a quantidade de mésons B de carga positiva que se desintegram em um produto específico é diferente da quantidade de mésons B de carga negativa que se desintegram nesse mesmo produto.
"Ou seja, a partícula se desintegra com mais frequência do que a sua antipartícula (ou vice versa)", explica Laís Soares Lavra, pesquisadora brasileira no Cern e membro da colaboração LHCb. "O que observamos foi excesso de 75% de mésons B em relação a antimésons B."
O processo é conhecido entre os físicos como uma violação de CP (carga-paridade) e é empolgante neste caso por dois motivos. Primeiro, porque violações desse tipo são algo esperado para explicar por que o Universo é feito de matéria, e não de antimatéria. Sabemos que o Big Bang (que pode ser visto como o LHC definitivo, realizando o mais energético experimento de colisão de partículas possível, quando todo o conteúdo do Universo estava espremido num espaço menor que a cabeça de um alfinete) deve ter produzido, em princípio, quantidades iguais de matéria e de antimatéria. Ou seja, para cada próton, com sua carga positiva, viria um antipróton, com carga negativa. Para cada elétron, com carga negativa, um pósitron, com carga positiva. E assim por diante.
Só que isso enseja um problema. Partículas e antipartículas, ao se encontrarem, se aniquilam, gerando como subproduto radiação. No começo do Universo, 13,8 bilhões de anos atrás, com tudo espremido do jeito que estava, não faltaram ocasiões para essas colisões, de modo que poderíamos esperar um cosmos de radiação pura, sem matéria —e sem graça.
E, no entanto, não é o que temos. Acabamos, felizmente para nós, com um universo que é todo feito de matéria. O que significa que, de algum modo, houve uma sobra de partículas sobre antipartículas quando as colisões terminaram —e um caminho para explicar isso é encontrar assimetrias de CP. De algum modo, as leis da física devem favorecer matéria sobre antimatéria.
O novo resultado resolve essa questão? "Não resolve", diz Lavra. "Medimos essa assimetria, mas existem alguns modelos que preveem a observação dessa assimetria —porém na ordem de 10%."
E aí é que o resultado fica realmente promissor. Se fossem os 10%, tudo estaria "em casa" com nossa compreensão atual da física. Como deu muito mais – 75% –, serão necessárias ideias novas para explicar a enorme disparidade. "É a maior assimetria já observada até o momento", completa a pesquisadora.
Física de partículas experimental, contudo, é um negócio traiçoeiro. Quando você estilhaça prótons com alta energia e converte tudo em mais partículas, muito do que acontece tem um componente de aleatoriedade introduzido pela mecânica quântica, de forma que só se pode confirmar uma descoberta específica depois que o mesmo fenômeno é observado com enorme frequência.
O bóson de Higgs, por exemplo, só teve a descoberta anunciada depois que a detecção sistemática da partícula atingiu uma confiança de 5-sigmas, cientifiquês para "probabilidade inferior a 1 em 3,5 milhões de um resultado espúrio".
Por isso, o pessoal do LHCb segue cauteloso. "Ainda é cedo para falar de nova física", diz Lavra. "Um dos modelos prevê 10%, portanto os outros 65% poderiam vir de outros mecanismos desconhecidos, que podem ou não ser acomodados no modelo padrão. Poderia ser um sinal de nova física ou não, ainda não sabemos."
Como aprofundar a investigação? Mais resultados. O LHC vai retomar os experimentos, na terceira tomada de dados, no próximo dia 24. "Em particular, o experimento LHCb terá um novo detector, capaz de fornecer até dez vezes mais estatística que atualmente. Isso possibilitará o estudo mais detalhado desses processos.
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