Detecção de um decaimento raro

O CMS (Compact Muon Solenoid) detectou um importante e raro decaimento previsto pelo Modelo Padrão da física de partículas.

© CMS (produção de mésons B_s)

A medida do decaimento de mésons B_s em pares de muons, foi anunciada ontem na conferência bienal da Sociedade Europeia de Física, em Estocolmo (Suécia), e chega depois de uma espera de cerca de 25 anos. 
Em cada bilhões de mésons B_s produzidos, espera-se que apenas três decaiam em dois muons, primos mais pesados do elétron.

Não obstante o sucesso do Modelo Padrão da física de partículas ao longo de décadas, obtido através de múltiplas previsões que foram verificadas experimentalmente, sabemos que pode não ser uma teoria completa: não oferece uma explicação para a evidência cosmológica da matéria escura, nem explica o domínio da matéria sobre a antimatéria no Universo. Se a fronteira da física estiver ao seu alcance, o LHC irá revelá-la, e o CMS tem procurado sistematicamente indicações de várias extensões propostas para o Modelo Padrão.

O decaimento de mésons B (compostos de um quark “bottom” e um outro quark mais leve) em dois muons (μ) é um canal ideal para procurar evidência indireta de novas descobertas na física. Os decaimentos de dois tipos de mésons B – B⁰ (composto de um quark “bottom” e um quark “down”) e mésons B_s (composto de um quark “bottom” e um quark “strange”) – em pares de muons são muito suprimidos no Modelo Padrão. No entanto, várias extensões do Modelo Padrão  preveem um desvio significativo das taxas de decaimento em ambos os sentidos (aumento ou maior supressão). Se a medida da taxa de decaimento de um destes mésons B for incompatível com a previsão do Modelo Padrão, teremos um sinal de nova física em ação. Durante quase 25 anos, várias experiências em diversos aceleradores de partículas procuraram estes decaimentos raros. Os limites superiores na taxa de decaimento estabelecidos experimentalmente melhoraram quatro ordens de grandeza ao longo do tempo, com a sensibilidade das experiências aproximando-se, recentemente, dos valores previstos pelo Modelo Padrão. No caso do decaimento B_s → μμ, o LHCb (Large Hadron Collider beauty), durante a colisão próton-próton com energia de 8 TeV (8,5 × 10^-7 J) mostrou no final do ano passado a primeira evidência experimental da sua existência com uma significância de 3.5σ.

A emoção desta fantástica medida experimental traz consigo uma ponta de desilusão para aqueles que procuram uma nova física. Grande parte do interesse no estudo do decaimento B_s → μμ reside no seu potencial para revelar as imperfeições do Modelo Padrão. No entanto, a história está longe de terminar. Com a continuação do programa de física do LHC, mais colisões estarão disponíveis para análise, e a precisão com que o CMS e outras experiências poderão medir estes e outros decaimentos raros poderá apenas melhorar. Maior precisão será útil para limitar as possibilidades da nova física e poderá apontar o caminho futuro para a física de altas energias. Por exemplo, o recomeço do LHC em 2015 colocará a sensibilidade do CMS ao nível de poder medir a taxa de decaimento de B⁰ → μμ conforme prevista pelo Modelo Padrão.

Observar este decaimento raro do mesão B_s representa um marco importante em 25 anos de uma longa viagem, deixando à nossa frente muito território por explorar no mundo da física de partículas.

Um artigo que apresenta o resultado foi submetido para publicação na revista Physical Review Letters.

Fonte: CERN