Novos resultados do maior acelerador de partículas do mundo dão pistas sobre uma física ainda desconhecida

Descobertas recentes da pesquisa que estamos realizando no Grande Colisor de Hádrons (LHC, na sigla em inglês), no CERN, Genebra, Suíça, sugerem que podemos estar próximos de indícios de uma física ainda desconhecida.

Se confirmadas, essas pistas derrubariam a teoria conhecida como Modelo Padrão, que domina a física de partículas há 50 anos. Nossas descobertas sugerem que a maneira como algumas partículas subatômicas específicas se comportam no LHC não está de acordo com o Modelo Padrão.

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Partículas fundamentais são os blocos de construção mais básicos da matéria — partículas subatômicas que não podem ser divididas em unidades menores. As quatro forças fundamentais — gravidade, eletromagnetismo, a força nuclear fraca e a força nuclear forte — regem a forma como essas partículas interagem.

O LHC é um gigantesco acelerador de partículas, o maior do mundo atualmente, construído como um túnel circular de 27 km de extensão sob a fronteira franco-suíça. Seu principal objetivo é justamente encontrar falhas no Modelo Padrão.

O Modelo Padrão é o nosso melhor entendimento da estrutura e comportamento das partículas e forças fundamentais, mas sabemos que ele não está completo. Ele não explica a gravidade nem a matéria escura — o tipo de matéria invisível e de natureza desconhecida até agora que compõe aproximadamente 25% do Universo.

No LHC, feixes de partículas como prótons viajam em direções opostas e são colocados para colidir numa tentativa de descobrir pistas sobre a física ainda desconhecida. Os novos resultados vêm do LHCb, um dos experimentos no Grande Colisor de Hádrons onde essas colisões são analisadas.

O resultado vem do estudo do decaimento — um tipo de transformação — de partículas subatômicas chamadas mésons B. Investigamos como esses mésons B decaem em outras partículas, descobrindo que a maneira específica como isso ocorre não condiz com as previsões do Modelo Padrão.

Uma teoria elegante

O Modelo Padrão baseia-se em dois dos avanços mais transformadores da física do século XX: a Mecânica Quântica e a Teoria da Relatividade Especial de Einstein.

Os físicos podem comparar medições feitas em instalações como o LHC com previsões baseadas no Modelo Padrão para testar rigorosamente a teoria.

Apesar de sabermos que o Modelo Padrão é incompleto, em mais de 50 anos de testes cada vez mais rigorosos os físicos que se dedicam ao estudo de partículas ainda não encontraram uma falha na teoria. Isto é, potencialmente, até agora.

Nossa medição, aceita para publicação no periódico Physical Review Letters, mostra uma variação de quatro desvios-padrão em relação às expectativas do Modelo Padrão. Em termos práticos, isso significa que, após considerar as incertezas dos resultados experimentais e das previsões teóricas, há apenas uma chance em 16.000 de que uma flutuação aleatória tão extrema nos dados ocorresse se o Modelo Padrão estivesse correto.

Embora isso fique aquém do padrão-ouro da ciência — o que é conhecido como cinco sigma, ou cinco desvios padrão (cerca de uma chance em 1,7 milhão) —, as evidências estão começando a se acumular. Somando-se a essa narrativa convincente estão os resultados de outro experimento independente do LHC, o CMS, publicados no início de 2025.

Embora os resultados do CMS não sejam tão precisos quanto os do LHCb, eles estão em concordância, reforçando o argumento em direção de uma física ainda desconhecida. Nossos novos resultados foram obtidos em um estudo de um tipo específico de processo, conhecido como decaimento eletrofraco do pinguim.

Eventos raros

O termo "pinguim" refere-se a um tipo específico de decaimento (transformação) de partículas de vida curta. Neste caso, estudamos como o méson B decai em quatro outras partículas subatômicas — um kaon, um píon e dois múons.

Com um pouco de imaginação, é possível visualizar o arranjo das partículas envolvidas como se fosse um pinguim. Fundamentalmente, as medições desse decaimento nos permitem estudar como um tipo de partícula fundamental, o quark bottom, pode se transformar em outro, o quark strange.

Esse decaimento em forma de pinguim é incrivelmente raro no Modelo Padrão: para cada milhão de mésons B, apenas um decairá dessa maneira. Analisamos cuidadosamente os ângulos e as energias em que essas partículas são produzidas no decaimento e determinamos com precisão a frequência com que o processo ocorre. Descobrimos que nossas medições dessas grandezas não concordam com as previsões do Modelo Padrão.

Investigações precisas de decaimentos como este são um dos principais objetivos do experimento LHCb, e têm sido desde sua criação em 1994. Os processos "pinguim" são excepcionalmente sensíveis aos efeitos de novas partículas potencialmente muito pesadas que não podem ser criadas diretamente no LHC.

Tais partículas ainda podem exercer uma influência mensurável sobre esses decaimentos, além da pequena contribuição do Modelo Padrão. Esse tipo de observação indireta não é novidade. Por exemplo, a radioatividade foi descoberta 80 anos antes que as partículas fundamentais responsáveis por ela (os bósons W) fossem observadas diretamente.

Direções futuras

Nossos estudos de processos raros nos permitem explorar partes da natureza que, de outra forma, só se tornariam acessíveis usando colisionadores de partículas ainda maiores que o LHC planejados para a década de 2070. Há uma ampla gama de novas teorias potenciais que podem explicar nossas descobertas. Muitas contêm novas partículas chamadas "leptoquarks", que unem os dois tipos diferentes de partículas fundamentais: os "léptons" e os "quarks".

Outras teorias potenciais incluem partículas que são análogas mais pesadas daquelas já encontradas no Modelo Padrão. Os nossos novos resultados restringem a forma desses modelos e orientarão futuras buscas por elas.

Apesar do nosso entusiasmo, permanecem em aberto questões teóricas que nos impedem de afirmar definitivamente que observamos uma física desconhecida além do Modelo Padrão. A questão mais séria surge dos chamados "pinguins charmosos", um conjunto de processos presentes no Modelo Padrão cujas contribuições são extremamente difíceis de prever. Estimativas recentes desses "pinguins charmosos" sugerem que seus efeitos não são grandes o suficiente para explicar nossos dados.

Além disso, uma combinação de um modelo teórico e dados experimentais do LHCb sugere que os "pinguins charmosos" (e, portanto, o Modelo Padrão) têm dificuldade em explicar nossos resultados anômalos.

Novos dados já coletados nos permitirão confirmar a situação nos próximos anos: em nosso trabalho atual, estudamos aproximadamente 650 bilhões de decaimentos de mésons B registrados entre 2011 e 2018 para encontrar esses decaimentos "pinguins". Desde então, o experimento LHCb registrou três vezes mais mésons B.

E novos avanços estão previstos para a década de 2030, aproveitando futuras atualizações do LHC e o acúmulo de um conjunto de dados 15 vezes maior. Esse passo final deverá permitir que se façam afirmações definitivas, potencialmente revelando uma nova compreensão de como o Universo funciona em seu nível mais elementar.

William Barter trabalha na Universidade de Edimburgo. Ele recebe financiamento do UKRI. É integrante da colaboração LHCb no CERN.

Mark Smith não presta consultoria, trabalha, possui ações ou recebe financiamento de qualquer empresa ou organização que poderia se beneficiar com a publicação deste artigo e não revelou nenhum vínculo relevante além de seu cargo acadêmico.