Primeira observação de decaimento de partículas ultra-raras pode revelar nova física

Cientistas do CERN descobriram um processo ultra-raro de decaimento de partículas, abrindo um novo caminho para encontrar uma física que vai além da nossa compreensão de como os blocos de construção da matéria interagem.

A colaboração NA62 apresentou em um seminário do CERN EP a primeira observação experimental da decadência ultra-rara do kaon carregado em um píon carregado e um par neutrino-antineutrino (K⁺ →p⁺νṽ).

Esta é uma ocorrência ultra-rara — o Modelo Padrão (SM) da física de partículas, que explica como as partículas interagem, prevê que menos de um em 10 bilhões de kaons decairá desta forma. O experimento NA62 foi projetado e construído especificamente para medir esta decadência de kaons.

Cristina Lazzeroni, Professora de Física de Partículas na Universidade de Birmingham, disse: “Com esta medição, K⁺ →p⁺νṽ se torna o decaimento mais raro estabelecido no nível de descoberta — o famoso 5 sigma. Esta análise difícil é o resultado de um excelente trabalho em equipe, e estou extremamente orgulhoso deste novo resultado.”

Os kaons são produzidos por um feixe de prótons de alta intensidade fornecido pelo CERN Super Proton Synchrotron (SPS), colidindo com um alvo estacionário. Isso cria um feixe de partículas secundárias com quase um bilhão de partículas por segundo voando para o detector NA62, cerca de 6% das quais são kaons carregados. O detector identifica e mede precisamente cada kaon e seus produtos de decaimento, exceto neutrinos que aparecem como energia ausente.

O professor Giuseppe Ruggiero, da Universidade de Florença, acrescentou: “Este é o ápice de um longo projeto iniciado há mais de uma década. Procurando efeitos na natureza que tenham probabilidades de acontecer da ordem de 10^-11 é fascinante e desafiador. Após um trabalho rigoroso e meticuloso, obtivemos uma recompensa impressionante pelo nosso esforço e entregamos um resultado há muito esperado.”

O novo resultado é baseado na combinação de dados obtidos pelo experimento NA62 em 2021–22 e um resultado publicado anteriormente com base no conjunto de dados de 2016–18. O conjunto de dados de 2021–22 foi coletado após um conjunto de atualizações na configuração do NA62, permitindo a operação com intensidade de feixe 30% maior com vários detectores novos e aprimorados.

As atualizações de hardware combinadas com técnicas de análise refinadas permitiram a coleta de candidatos a sinais a uma taxa 50% maior do que antes, ao mesmo tempo em que adicionaram novas ferramentas para suprimir ruídos de fundo.

Um grupo de cientistas da Universidade de Birmingham, atualmente liderado pelo professor Evgueni Goudzovski, juntou-se ao experimento NA62 na fase de projeto em 2007, desempenhando um papel central na colaboração.

O professor Goudzovski comentou: “Atrair os melhores talentos e oferecer posições de responsabilidade para pesquisadores em início de carreira sempre foi a prioridade do grupo. Estamos orgulhosos de que tanto o atual coordenador de física do NA62 quanto o atual coordenador do K⁺ →p⁺νṽ measurement são ex-alunos de doutorado de Birmingham. É um privilégio trabalhar e liderar uma equipe tão energética e construtiva.”

A equipe de pesquisa está estudando o K⁺ →p⁺νṽ decaimento porque é muito sensível a novas físicas além da descrição SM. Isso torna o decaimento um dos processos mais interessantes para buscar evidências de novas físicas.

A fração de kaons que decaem em um píon e dois neutrinos é medida em cerca de 13 em 100 bilhões. Isso corresponde às previsões do SM, mas é cerca de 50% maior.

Isso pode ser devido a novas partículas que aumentam a probabilidade dessa decadência, mas mais dados são necessários para confirmar essa ideia. O experimento NA62 está atualmente coletando dados e os cientistas esperam confirmar ou descartar a presença de nova física nessa decadência dentro dos próximos anos.