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Um experimento realizado recentemente em CERN usando seu Detector compacto de solenóide de múon (CMS) levou a novas medições de alta precisão envolvendo um componente-chave do Modelo Padrão da física.
Os resultados do experimento, que contou com seu detector de uso geral CMS no Large Hadron Collider (LHC), foram apresentados pela colaboração CMS na conferência anual Rencontres de Moriond e revelaram as medições da colaboração do ângulo de mistura eletrofraco leptônico efetivo, resultando no que é reconhecido como a maior precisão já atribuída a medições realizadas em uma instalação de colisor de hádrons.
CERN e a Nova Física
No passado, as descobertas do CERN foram classificadas entre as mais significativas da física moderna. Os resultados obtidos durante os testes no CERN levaram a uma riqueza de novas informações, permitindo previsões que ajudam a verificar os modelos teóricos nos quais os físicos se baseiam.
Os avanços no CERN também incluíram a famosa descoberta do bóson de Higgs em 2012, que os físicos reconhecem como sendo potencialmente crucial na busca de evidências de matéria escura.
As últimas descobertas da colaboração CMS alinham-se com as previsões derivadas do Modelo Padrão da física de partículas, que atualmente descreve três das quatro forças fundamentais conhecidas. Continua a ser a descrição mais precisa das partículas elementares e das suas interações até à data.
Através de medições contínuas e cálculos teóricos, os físicos esperam avançar ainda mais refinar o modelo padrãopermitindo previsões ainda mais precisas sobre fenômenos em nosso universo que atualmente permanecem misteriosos, compreendendo uma área de estudo que os cientistas costumam chamar de “nova física”.
Uma razão para isto é que medições altamente precisas de partículas caracterizadas pelo Modelo Padrão permitem que fenómenos não descobertos se revelem como discrepâncias que aparecem entre os nossos cálculos e as quantidades reais medidas durante experiências em instalações como o CERN.
O ângulo de mistura eletrofraco
Parâmetro fundamental no Modelo Padrão da física de partículas, o ângulo de mistura eletrofraca (também conhecido como ângulo de Weinberg) é o que unifica a força eletromagnética e a força fraca em uma única força eletrofraca.
O ângulo de mistura eletrofraca é significativo porque mostra como duas forças aparentemente muito diferentes representam aspectos diferentes de uma força única e unificada em altos níveis de energia. De acordo com o Modelo Padrão, existe simetria entre forças eletromagnéticas e fracas em energias muito altas, conforme descrito por um grupo de bósons de calibre, que são partículas elementares bosônicas que desempenham o papel de portadores de força (ou seja, partículas que dão origem a forças entre outras partículas) para férmions elementares.
O ângulo de mistura eletrofraco permite medir o quanto os bósons de calibre originais se misturam, resultando na formação do fóton e do bóson Z, que junto com o bóson W foi descoberto pela primeira vez no CERN em 1983. As massas dos bósons Z e W dependem dessa mistura (enquanto os fótons permanecem sem massa), e o valor do ângulo de mistura eletrofraca é também o que governa a intensidade da força fraca, que dá origem às taxas de decaimento de várias partículas, bem como às seções transversais de dispersão que os físicos observam durante experimentos de física de partículas.
Significativamente, o valor do ângulo de mistura eletrofraca não é previsto pelo Modelo Padrão e deve ser calculado através de experimentação. Assim, a sua medição precisa desempenha um papel importante nos esforços para testar a precisão do Modelo Padrão, bem como na detecção de “nova física” que sugere fenómenos actualmente além dos nossos modelos teóricos.
Medições de precisão no CERN
No passado, durante experimentos separados conduzidos com o colisor LEP do CERN e o experimento SLD no Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC – as duas medições mais precisas já registradas envolvendo o ângulo de mistura fraco naquela época – foram obtidos valores diferentes, um resultado que deixou perplexo o mundo da física.
No entanto, essa discrepância pode agora estar perto de uma resolução, uma vez que as últimas medições no CERN correspondem muito às previsões do Modelo Padrão.
Patricia McBride, porta-voz do CMS, disse que os novos resultados são uma indicação clara do nível de precisão que pode ser obtido durante experiências com colisores de hádrons como o do CERN.
“A análise teve que lidar com o ambiente desafiador do LHC Run 2, com uma média de 35 colisões próton-próton simultâneas”, disse McBride em um comunicado. declaração.
“Isso abre caminho para uma física mais precisa no LHC de alta luminosidade, onde cinco vezes mais pares de prótons colidirão simultaneamente”, acrescentou McBride.
A medição mais precisa do colisor de hádrons até agora
Experimentos envolvendo colisões elétron-pósitron, como os realizados no CERN com o Large Hadron Collider (LHC), são ideais para medições de alta precisão que podem medir os parâmetros do Modelo Padrão.
Por outro lado, a análise de colisões próton-próton dentro do LHC apresenta dificuldades significativas para a pesquisa, principalmente devido ao ruído de fundo substancial que é gerado durante as colisões próton-próton. Além disso, os prótons não são partículas elementares como seus primos elétrons. Apesar de alguns dos desafios inerentes a tais estudos, experimentos como ATLAS, CMS e LHCb ainda contribuíram com uma abundância de novos dados altamente precisos.
No entanto, na sua experiência recente, a colaboração CMS conseguiu atingir uma precisão comparável às colisões electrão-pósitron utilizando protões, utilizando uma amostra de colisões recolhidas entre 2016 e 2018 a uma energia do centro de massa de 13 TeV que representa perto de 11.000 milhões de milhões de colisões.
De acordo com uma declaração do CERN, o ângulo de mistura durante a experiência foi derivado de análises que resultaram no que é hoje reconhecido como a medição mais precisa já realizada utilizando um colisor de hádrons.
Detalhes adicionais da análise recente podem ser encontrados em Página de Resumos de Análise Física CMS do CERN.
Micah Hanks é o editor-chefe e cofundador do The Debrief. Ele pode ser contatado por e-mail em micah@thedebrief.org. Acompanhe seu trabalho em micahhanks.com e em X: @MicahHanks.
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