O Large Hadron Collider detecta comportamento estranho de partículas que poderia reescrever a física

Se confirmadas, estas indicações derrubariam a teoria, chamada Modelo Padrão, que domina a física de partículas há 50 anos. As descobertas indicam a maneira como certas partículas subatômicas se comportam LHC Discordo do modelo padrão.

As partículas elementares são os blocos de construção mais básicos da matéria – partículas subatômicas que não podem ser divididas em unidades menores. Quatro forças fundamentais – gravidade, eletromagnetismo, força fraca e força forte – controlam como essas partículas interagem.

O LHC é um acelerador de partículas gigante construído num túnel circular de 27 km de comprimento sob a fronteira franco-suíça. Seu principal objetivo é detectar rachaduras Modelo padrão.

Esta teoria é a nossa melhor compreensão das partículas fundamentais e da energia, mas sabemos que não pode ser toda a história. Não explica a gravidade ou a matéria escura – a matéria invisível, até agora não medida, que constitui cerca de 25% do universo.

No LHC, feixes de partículas de prótons viajando em direções opostas colidem, revelando indícios de física ainda não descoberta. Novos resultados vêm de LHCbUm experimento no Large Hadron Collider onde essas colisões são analisadas.

Os resultados vieram do estudo do decaimento de partículas subatômicas chamadas mésons b – um tipo de transição. Nós investigamos como esses B. Maçons Embora o decaimento seja encontrado em outras partículas, a maneira específica como ocorre não está de acordo com as previsões do Modelo Padrão.

Uma teoria elegante

O Modelo Padrão baseia-se em dois dos avanços mais transformadores da física do século XX; Mecânica quântica e relatividade especial de Einstein.

Os físicos podem comparar medições feitas em instalações como o LHC com previsões baseadas no Modelo Padrão para testar rigorosamente a teoria.

Embora saibamos que o Modelo Padrão é imperfeito, em mais de 50 anos de testes cada vez mais rigorosos, os físicos de partículas ainda não encontraram quaisquer falhas na teoria. Isto é, potencialmente, até agora.

Nossa medida, Aceito para publicação em Carta de revisão físicaOs gráficos mostram quatro desvios padrão das expectativas do modelo padrão.

Em termos do mundo real, isto significa que, depois de considerar a incerteza dos resultados experimentais e das previsões teóricas, a probabilidade de ocorrer uma flutuação aleatória nestes dados extremos é de apenas uma em 16.000 se o Modelo Padrão estiver correto.

Embora fique aquém do padrão-ouro da ciência – como é chamada Cinco Sigmaou cinco desvios-padrão (um em cerca de 1,7 milhões de possibilidades) – as evidências começam a aumentar. Esta narrativa envolvente resulta de um yoga independente Experimento LHC, CMSQue foi publicado antes de 2025.

Embora os resultados do CMS não sejam tão precisos quanto os resultados do LHCb, eles concordam bem, reforçando o caso. Nossas novas descobertas baseiam-se no estudo de um tipo especial de processo conhecido como corrosão eletrofraca do pinguim.

Uma ocorrência rara

A palavra “pinguim” refere-se a um tipo específico de decaimento (transformação) de partículas de vida curta. Neste caso estudamos como B. Mason Mais quatro partículas subatômicas decaem – um kaon, um píon e dois múons.

Com alguma imaginação, pode-se imaginar o arranjo de partículas emaranhadas para se parecer com um pinguim. É importante ressaltar que medir esse decaimento nos permite estudar como um tipo de partícula fundamental, um quark bonito, pode se transformar em outro quark estranho.

Esses decaimentos de pinguins são incrivelmente raros no Modelo Padrão: para cada milhão de mésons B, apenas um decairia dessa maneira. Analisámos cuidadosamente os ângulos e as forças produzidas por estas partículas à medida que decaem e determinamos com precisão a frequência com que o processo ocorre. Descobrimos que as nossas medições desta quantidade não concordam com as previsões do modelo padrão.

A investigação precisa de tal decaimento é um dos objetivos principais do experimento LHCb, e tem sido assim desde o seu início em 1994. Os processos Penguin são exclusivamente sensíveis aos efeitos de novas partículas potencialmente muito pesadas que não podem ser produzidas diretamente no LHC.

Tais partículas ainda podem ter um efeito mensurável nesses decaimentos sobre a pequena contribuição do Modelo Padrão. Tais observações indiretas não são novas. Por exemplo, a radioatividade foi descoberta 80 anos antes das partículas fundamentais responsáveis ​​por ela (o bóson W) serem diretamente observadas.

Direção futura

Nossos estudos de processos raros nos permitem explorar partes da natureza que de outra forma seriam inacessíveis usando colisores de partículas planejados para a década de 2070. Há uma ampla gama de possíveis novas teorias que poderiam explicar nossas descobertas. Muitos substantivos contêm novas partículas “leptoquarks” que combina dois tipos diferentes de matéria: “léptons” e “quarks”.

Outras teorias possíveis incluem partículas que são análogas mais pesadas daquelas já encontradas no Modelo Padrão. As novas descobertas restringem a forma desses modelos e orientarão futuras explorações para eles

Apesar do nosso entusiasmo, permanecem questões teóricas em aberto que nos impedem de afirmar com certeza que a física fora do Modelo Padrão é observada. A questão mais grave surge do chamado “pinguim encantador”, conjunto de processos presentes no Modelo Padrão, cujas contribuições são extremamente difíceis de prever. Estimativas recentes destes encantadores pinguins indicam que os seus efeitos não são suficientemente grandes para explicar os nossos dados.

Além disso, a combinação de modelos teóricos e dados experimentais do LHCb sugere que pinguins interessantes (e, portanto, o Modelo Padrão) lutam para explicar os resultados incomuns.

Novos dados já recolhidos confirmarão a nossa situação nos próximos anos: no nosso trabalho atual estudamos cerca de 650 mil milhões de decaimentos de mesões b registados entre 2011 e 2018 para encontrar estes decaimentos de pinguins. Desde então, três vezes mais mésons B foram registrados em experimentos do LHCB.

Outros avanços estão planejados para uso na década de 2030 Atualizações futuras Vá para o LHC e colete novamente um conjunto de dados 15 vezes maior. Esta etapa final permitirá que sejam feitas afirmações específicas, potencialmente desbloqueando uma nova compreensão de como o universo funciona nos níveis mais elementares.