Uma equipe de físicos, incluindo a Universidade de Warwick, provou que uma partícula subatômica pode se transformar em seu alter-ego antipartícula e vice-versa, em uma nova descoberta revelada na semana passada.

O túnel do Grande Colisor de Hádrons. Crédito: CERN

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Uma medição extraordinariamente precisa feita por pesquisadores do Reino Unido usando o experimento LHCb no CERN forneceu a primeira evidência de que os mésons charm podem se transformar em suas antipartículas e vice-versa.

“Este novo resultado mostra pela primeira vez que os mésons charm podem oscilar entre os dois estados.”

Por mais de 10 anos, os cientistas sabem que os mésons charm, partículas subatômicas que contêm um quark e um antiquark, podem viajar como uma mistura de seus estados de partícula e antipartícula, um fenômeno denominado mistura. No entanto, este novo resultado mostra pela primeira vez que eles podem oscilar entre os dois estados.

Armados com essas novas evidências, os cientistas podem tentar resolver algumas das maiores questões da física sobre como as partículas se comportam fora do modelo padrão. Um sendo, se essas transições são causadas por partículas desconhecidas não previstas pela teoria orientadora.

A pesquisa, hoje submetida à Physical Review Letters e disponível no arXiv, recebeu financiamento do Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia (STFC).

Ser um e o outro

No estranho mundo da física quântica, o méson charm pode ser ele mesmo e sua antipartícula ao mesmo tempo. Esse estado, conhecido como superposição quântica, resulta em duas partículas, cada uma com sua própria massa, uma versão mais pesada e mais leve da partícula. Essa sobreposição permite que o meson charm oscile em sua antipartícula e volte novamente.

Usando dados coletados durante a segunda execução do Large Hadron Collider, pesquisadores da Universidade de Oxford mediram uma diferença de massa entre as duas partículas de 0,00000000000000000000000000000000000001 gramas - ou em notação científica 1×10^-38g. Uma medida dessa precisão e certeza só é possível quando o fenômeno é observado muitas vezes, e isso só é possível devido a tantos mésons charm sendo produzidos nas colisões do LHC.

Como a medição é extremamente precisa, a equipe de pesquisa garantiu que o método de análise fosse ainda mais preciso. Para fazer isso, a equipe usou uma nova técnica desenvolvida originalmente por colegas da Universidade de Warwick.

O experimento LHCb no CERN. Crédito: CERN

Existem apenas quatro tipos de partículas no Modelo Padrão, a teoria que explica a física das partículas, que podem se transformar em suas antipartículas. O fenômeno de mistura foi observado pela primeira vez em mésons strange na década de 1960 e em mésons beauty na década de 1980. Até agora, a única outra das quatro partículas que foi vista oscilar dessa forma é o méson strange-beauty, em uma medição feita em 2006.

Um fenômeno raro

O professor Guy Wilkinson da University of Oxford, cujo grupo contribuiu para a análise, disse:

“O que torna essa descoberta de oscilação na partícula do meson charm tão impressionante é que, ao contrário dos mésons beauty, a oscilação é muito lenta e, portanto, extremamente difícil de medir dentro do tempo que leva para o meson decair. Esse resultado mostra que as oscilações são tão lentas que a grande maioria das partículas decai antes de ter a chance de oscilar. No entanto, podemos confirmar isso como uma descoberta porque o LHCb coletou muitos dados.”

O professor Tim Gershon da University of Warwick, desenvolvedor da técnica analítica usada para fazer a medição, disse:

“Partículas de meson charm são produzidas em colisões próton-próton e viajam em média apenas alguns milímetros antes de se transformar, ou decair, em outras partículas. Ao comparar as partículas do méson charm que decaem após viajar uma curta distância com aquelas que viajam um pouco mais longe, fomos capazes de medir a quantidade chave que controla a velocidade da oscilação do méson charm em méson anti-charm - a diferença de massa entre as versões mais pesadas e mais leves do méson charm.”

Uma nova porta se abre para a exploração da física

Esta descoberta do charm da oscilação do méson abre uma nova e emocionante fase de exploração da física; os pesquisadores agora querem entender o próprio processo de oscilação, potencialmente um grande passo à frente na resolução do mistério da assimetria matéria-antimatéria. Uma área chave a explorar é se a taxa de transições partícula-antipartícula é a mesma das transições antipartícula-partícula e, especificamente, se as transições são influenciadas/causadas por partículas desconhecidas não previstas pelo modelo padrão.

O Dr. Mark Williams da Universidade de Edimburgo, que reuniu o LHCb Charm Physics Group dentro do qual a pesquisa foi realizada, disse:

“Pequenas medições como esta podem dizer grandes coisas sobre o Universo que você não esperava.”

O resultado, 1×10^-38g, cruza o nível de "cinco sigma" de significância estatística necessário para reivindicar uma descoberta na física de partículas.

Mais informações:

Ben-Haim, A. Berezhnoy, R. Bernet, D. Berninghoff, HC Bernstein, C. Bertella, A. Bertolin, C. Betancourt, F. Betti, Ia. Bezshyiko, S. Bhasin, J. Bhom, L. Bian, MS Bieker, S. Bifani, P. Billoir, M. Birch, FCR Bishop, A. Bitadze, A. Bizzeti, M. Bjørn, MP Blago, T. Blake , F. Blanc, S. Blusk, D. Bobulska, JA Boelhauve, O. Boente Garcia, T. Boettcher, A. Boldyrev, A. Bondar, N. Bondar, S. Borghi, M. Borisyak, M. Borsato, JT Borsuk, SA Bouchiba, TJV Bowcock, A. Boyer, C. Bozzi, MJ Bradley et al., Enviado,Cartas de revisão física. arXiv: 2106.03744

- Paul M. Sutter é astrofísico da SUNY Stony Brook e do Flatiron Institute, apresentador do Ask a Spaceman e do Space Radio e autor de "How to Die in Space". Ele contribuiu com este artigo para Expert Voices: Op-Ed & Insights do Space.com. 

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Referência:

Subatomic Particle Seen Changing to Antiparticle and Back for the First Time in Extraordinary Experiment. SciTechDaily, 13, jun. 2021. Disponível em: <https://scitechdaily.com/subatomic-particle-seen-changing-to-antiparticle-and-back-for-the-first-time-in-extraordinary-experiment/>. Acesso em: 13, jun. 2021.