.
Uma maneira pela qual os físicos buscam pistas para desvendar os mistérios do universo é esmagando a matéria e inspecionando os detritos. Mas esses tipos de experimentos destrutivos, embora incrivelmente informativos, têm limites.
Somos dois cientistas que estudam física nuclear e de partículas usando o Large Hadron Collider do CERN, perto de Genebra, na Suíça. Trabalhando com um grupo internacional de físicos nucleares e de partículas, a nossa equipa percebeu que escondida nos dados de estudos anteriores estava uma experiência notável e inovadora.
Num novo artigo publicado na Physical Review Letters, desenvolvemos um novo método com os nossos colegas para medir a rapidez com que uma partícula chamada tau oscila.
Nossa nova abordagem analisa os momentos em que as partículas que chegam no acelerador passam umas pelas outras, em vez dos momentos em que elas se chocam em colisões frontais. Surpreendentemente, esta abordagem permite medições muito mais precisas da oscilação da partícula tau do que as técnicas anteriores. Esta é a primeira vez em quase 20 anos que os cientistas medem esta oscilação, conhecida como momento magnético tau, e pode ajudar a iluminar fissuras tentadoras emergentes nas leis conhecidas da física.
Jessé LiuCC POR-ND
Por que medir uma oscilação?
Os elétrons, os blocos de construção dos átomos, têm dois primos mais pesados, chamados múon e tau. Taus são os mais pesados nesta família de três e os mais misteriosos, pois existem apenas por um período minúsculo de tempo.
Curiosamente, quando você coloca um elétron, múon ou tau dentro de um campo magnético, essas partículas oscilam de maneira semelhante à forma como um pião oscila sobre uma mesa. Essa oscilação é chamada de momento magnético da partícula. É possível prever a rapidez com que estas partículas deverão oscilar utilizando o Modelo Padrão da física de partículas – a melhor teoria dos cientistas sobre como as partículas interagem.
Desde a década de 1940, os físicos têm se interessado em medir momentos magnéticos para revelar efeitos intrigantes no mundo quântico. De acordo com a física quântica, nuvens de partículas e antipartículas surgem e desaparecem constantemente. Essas flutuações fugazes alteram ligeiramente a rapidez com que elétrons, múons e taus oscilam dentro de um campo magnético. Ao medir esta oscilação com muita precisão, os físicos podem perscrutar esta nuvem para descobrir possíveis indícios de partículas não descobertas.
MissMJ, Cush/Wikimedia Commons
Testando elétrons, múons e taus
Em 1948, o físico teórico Julian Schwinger calculou pela primeira vez como a nuvem quântica altera o momento magnético do elétron. Desde então, físicos experimentais mediram a velocidade de oscilação do elétron com extraordinárias 13 casas decimais.
Quanto mais pesada a partícula, mais a sua oscilação mudará devido a novas partículas não descobertas que se escondem na sua nuvem quântica. Como os elétrons são muito leves, isso limita sua sensibilidade a novas partículas.
Múons e taus são muito mais pesados, mas também têm vida muito mais curta que os elétrons. Embora os múons existam apenas por meros microssegundos, os cientistas do Fermilab, perto de Chicago, mediram o momento magnético do múon com 10 casas decimais em 2021. Eles descobriram que os múons oscilavam visivelmente mais rápido do que as previsões do Modelo Padrão, sugerindo que partículas desconhecidas podem estar aparecendo na nuvem quântica do múon.
Taus é a partícula mais pesada da família – 17 vezes mais massiva que um múon e 3.500 vezes mais pesada que um elétron. Isto os torna muito mais sensíveis a partículas potencialmente não descobertas nas nuvens quânticas. Mas os taus também são os mais difíceis de ver, já que vivem apenas um milionésimo do tempo de existência de um múon.
Até o momento, a melhor medição do momento magnético do tau foi feita em 2004, usando um colisor de elétrons agora aposentado do CERN. Embora seja um feito científico incrível, depois de vários anos de coleta de dados, esse experimento conseguiu medir a velocidade de oscilação do tau com apenas duas casas decimais. Infelizmente, para testar o Modelo Padrão, os físicos precisariam de uma medição 10 vezes mais precisa.
Jessé LiuCC POR-ND
Íons de chumbo para física de quase acidente
Desde a medição do momento magnético do tau em 2004, os físicos têm procurado novas maneiras de medir a oscilação do tau.
O Grande Colisor de Hádrons geralmente colide os núcleos de dois átomos – é por isso que é chamado de colisor. Estas colisões frontais criam uma exibição de fogos de artifício de detritos que podem incluir taus, mas as condições barulhentas impedem medições cuidadosas do momento magnético do tau.
De 2015 a 2018, houve um experimento no CERN que foi projetado principalmente para permitir que os físicos nucleares estudassem matéria quente exótica criada em colisões frontais. As partículas usadas neste experimento eram núcleos de chumbo que tiveram seus elétrons despojados – chamados íons de chumbo. Os íons de chumbo são carregados eletricamente e produzem fortes campos eletromagnéticos.
Os campos eletromagnéticos dos íons de chumbo contêm partículas de luz chamadas fótons. Quando dois íons de chumbo colidem, seus fótons também podem colidir e converter toda a sua energia em um único par de partículas. Foram essas colisões de fótons que os cientistas usaram para medir múons.
Esses experimentos com íons de chumbo terminaram em 2018, mas foi somente em 2019 que um de nós, Jesse Liu, se uniu à física de partículas Lydia Beresford em Oxford, Inglaterra, e percebeu que os dados dos mesmos experimentos com íons de chumbo poderiam ser potencialmente usados para faça algo novo: meça o momento magnético do tau.
Esta descoberta foi uma surpresa total. É assim: os íons de chumbo são tão pequenos que muitas vezes não se encontram em experimentos de colisão. Mas ocasionalmente, os íons passam muito próximos uns dos outros sem se tocarem. Quando isso acontece, os fótons que os acompanham ainda podem se chocar enquanto os íons continuam voando em seu caminho alegre.
Essas colisões de fótons podem criar uma variedade de partículas – como os múons do experimento anterior e também os taus. Mas sem os fogos de artifício caóticos produzidos pelas colisões frontais, estes eventos de quase acidente são muito mais silenciosos e ideais para medir características do esquivo tau.
Para nossa alegria, quando a equipe analisou os dados de 2018, de fato, esses quase acidentes de íons de chumbo estavam criando partículas de tau. Houve um novo experimento escondido à vista de todos!
Maximilien Brice/CERN, CC BY-SA
Primeira medição da oscilação do tau em duas décadas
Em abril de 2022, a equipe do CERN anunciou que havíamos encontrado evidências diretas de partículas de tau criadas durante quase-acidentes de íons de chumbo. Usando esses dados, a equipe também conseguiu medir o momento magnético da tau – a primeira vez que tal medição foi feita desde 2004. Os resultados finais foram publicados em 12 de outubro de 2023.
Este resultado marcante mediu a oscilação do tau com duas casas decimais. Para nossa surpresa, este método empatou a melhor medição anterior utilizando apenas um mês de dados registados em 2018.
Depois de quase 20 anos sem progresso experimental, este resultado abre um caminho inteiramente novo e importante em direção à melhoria de dez vezes na precisão necessária para testar as previsões do Modelo Padrão. É emocionante que mais dados estejam no horizonte.
O Large Hadron Collider reiniciou a coleta de dados de íons de chumbo em 28 de setembro de 2023, após manutenção e atualizações de rotina. Nossa equipe planeja quadruplicar o tamanho da amostra dos dados de quase acidente de íons de chumbo até 2025. Esse aumento nos dados dobrará a precisão da medição do momento magnético da tau, e as melhorias nos métodos de análise podem ir ainda mais longe.
As partículas Tau são uma das melhores janelas dos físicos para o enigmático mundo quântico, e estamos entusiasmados com as surpresas que os próximos resultados poderão revelar sobre a natureza fundamental do universo.
.
