O que aconteceu no início do universo, nos primeiros momentos? A verdade é que realmente não sabemos porque é preciso muita energia e precisão para recriar e entender o cosmos em escalas de tempo tão curtas no laboratório. Mas os cientistas do Grande Colisor de Hádrons (LHC) em CERN na Suíça não desistem.
Agora nosso experimento LHCb mediu uma das menores diferenças de massa entre duas partículas de todos os tempos, o que nos permitirá descobrir muito mais sobre nosso enigmático origens cósmicas.
O Modelo Padrão da física de partículas descreve as partículas fundamentais que constituem o universo, e as forças que atuam entre eles. As partículas elementares incluem quarks, dos quais existem seis: para cima, para baixo, estranho, charme, superior e inferior. Da mesma forma, existem seis “léptons” que incluem o elétron, um primo mais pesado chamado múon e o ainda mais pesado tau, cada um dos quais tem um neutrino associado. Existem também “parceiros de antimatéria” de todos os quarks e léptons que são partículas idênticas, exceto por uma carga oposta.
O Modelo Padrão é verificado experimentalmente com um incrível grau de precisão, mas tem algumas deficiências significativas. 13.8 bilhões de anos atrás, o universo foi criado no Big Bang. A teoria sugere que esse evento deveria ter produzido quantidades iguais de matéria e “antimatéria”. Ainda hoje, o universo é quase inteiramente feito de matéria. E isso é sorte, porque antimatéria e matéria se aniquilam em um flash de energia quando eles se encontram.
Uma das maiores questões em aberto na física hoje é: por que existe mais matéria do que antimatéria? Houve processos em jogo no universo primitivo que favoreceram a matéria sobre a antimatéria? Para chegar mais perto da resposta, estudamos um processo onde a matéria se transforma em antimatéria e vice-versa.
Os quarks são unidos para formar partículas chamadas bárions (incluindo os prótons e nêutrons que compõem o núcleo atômico) ou mésons, que consistem em pares quark-antiquark. Os mésons com carga elétrica zero passam continuamente por um fenômeno chamado mistura, pelo qual eles se transformam espontaneamente em sua partícula de antimatéria e vice-versa. Nesse processo, o quark se transforma em antiquark e o antiquark se transforma em quark.
Ele pode fazer isso por causa da mecânica quântica, que governa o universo na menor das escalas. De acordo com essa teoria contra-intuitiva, as partículas podem estar em muitos estados diferentes ao mesmo tempo, sendo essencialmente uma mistura de muitas partículas diferentes, uma característica chamada superposição. É somente quando você mede seu estado que ele “escolhe” um deles. Um tipo de méson chamado D0, por exemplo, que contém quarks charm, está em uma superposição de duas partículas normais de matéria chamadas D1 e D2. A taxa na qual o méson D0 se transforma em sua antipartícula e vice-versa, uma oscilação, depende da diferença nas massas de D1 e D2.
Massas Minúsculas
É difícil medir a mistura em mésons D0, mas Foi feito pela primeira vez em 2007. No entanto, até agora, ninguém mediu com segurança a diferença de massa entre D1 e D2 que determina a rapidez com que D0 oscila em sua antipartícula.
Nossa última descoberta, anunciado na conferência Charm, muda isso. Medimos um parâmetro que corresponde a uma diferença de massa de 6.4×10-6 elétron Volts (uma medida de energia) ou 10-38 gramas, uma das menores diferenças de massa entre duas partículas já medidas.
Calculamos então que a oscilação entre o D0 e seu parceiro de antimatéria leva cerca de 630 picossegundos (1 ps = 1 milionésimo milionésimo de segundo). Isso pode parecer rápido, mas o méson D0 não vive muito; não é estável no laboratório e se desfaz (decai) em outras partículas após apenas 0.4 picossegundos. Portanto, normalmente desaparecerá muito antes que essa oscilação ocorra, representando um sério desafio experimental.
A chave é a precisão. Sabemos pela teoria que essas oscilações seguem o caminho de um tipo familiar de onda (senoidal). Medindo o início da onda com muita precisão, podemos inferir seu período completo, pois conhecemos sua forma. A medição, portanto, teve que atingir precisão recorde em várias frentes. Isso é possível graças à quantidade sem precedentes de partículas charmosas produzidas no LHC.
Mas por que isso é importante? Para entender por que o universo produziu menos antimatéria do que matéria, precisamos aprender mais sobre a assimetria na produção dos dois, um processo conhecido como violação de CP. Já foi demonstrado que algumas partículas instáveis decaem de maneira diferente da partícula de antimatéria correspondente. Isso pode ter contribuído à abundância de matéria no universo, de descobertas anteriores disso levando a Prêmios Nobel.
Também queremos encontrar violação de CP no processo de mixagem. Se começarmos com milhões de partículas D0 e milhões de antipartículas D0, terminaremos com mais partículas D0 de matéria normal depois de algum tempo? Conhecer a taxa de oscilação é um passo fundamental para esse objetivo. Embora não tenhamos encontrado uma assimetria desta vez, nosso resultado e outras medições de precisão podem nos ajudar a encontrá-la no futuro.
No próximo ano, o LHC será ligado após um longo desligamento e o novo detector LHCb atualizado receberá muito mais dados, aumentando ainda mais a sensibilidade dessas medições. Enquanto isso, físicos teóricos estão trabalhando em novos cálculos para interpretar esse resultado. O programa de física do LHCb também será complementado pelo Experimento Belle II no Japão. Essas são perspectivas empolgantes para investigar a assimetria matéria-antimatéria e as oscilações dos mésons.
Embora ainda não possamos resolver completamente os mistérios do universo, nossa última descoberta colocou a próxima peça no quebra-cabeça. O novo detector LHCb atualizado abrirá as portas para uma era de medições de precisão que têm o potencial de descobrir fenômenos ainda desconhecidos e talvez a física além do Modelo Padrão.
Este artigo foi republicado a partir de A Conversação sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.
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