$CP$-odd form factor in the $HWW$ vertex

O universo é construído sobre um conjunto de forças fundamentais que mantêm a matéria unida e a empurram para longe. Durante décadas, os físicos têm dependido de uma teoria única e altamente bem-sucedida chamada Modelo Padrão para descrever essas forças e as partículas que as carregam. No coração desta teoria está um campo especial que confere massa a outras partículas, de forma muito semelhante a como mover-se através de uma água espessa o atrasa. A prova física deste campo é uma partícula conhecida como bóson de Higgs, descoberta em 2012. Desde essa descoberta, os cientistas têm trabalhado intensamente na medição das suas propriedades com extrema precisão, verificando se ela se comporta exatamente como a teoria prevê ou se mostra sinais de algo novo e inesperado. Uma das formas mais importantes de testar a teoria é observar como o bóson de Higgs interage com outras partículas, especificamente os bósons W, que são os portadores da força nuclear fraca.

Um novo estudo realizado por investigadores da Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, no México, analisa mais de perto uma interação muito subtil entre o bóson de Higgs e estes bósons W. Na visão padrão da física de partículas, o bóson de Higgs pode decair em dois bósons W, mas, devido às leis da energia e da massa, é impossível que ambos os bósons W sejam totalmente estáveis e "reais" ao mesmo tempo durante este processo. Um deles deve ser uma partícula virtual fugaz que existe apenas por uma fração de segundo antes de se transformar noutra matéria. Os investigadores concentraram-se numa característica específica e rara desta interação que envolve uma propriedade chamada "paridade", que essencialmente descreve como um sistema parece quando refletido num espelho. Embora as forças principais geralmente tratem o esquerdo e o direito da mesma forma, certos efeitos quânticos raros podem criar uma ligeira diferença. A equipa propôs-se a calcular exatamente quão forte é este efeito de quebra de simetria especular dentro do Modelo Padrão, uma questão que não tinha sido respondida com números anteriormente.

Utilizando simulações computacionais poderosas para realizar cálculos complexos que envolvem partículas que entram e saem da existência, os investigadores descobriram que este efeito de quebra de simetria especular existe, mas é incrivelmente ténue. Descobriram que o efeito é gerado apenas quando os dois bósons W têm quantidades diferentes de energia, uma condição que é sempre verdadeira na desintegração de um bóson de Higgs. O tamanho deste efeito é determinado pelos loops de outras partículas, particularmente quarks e léptons pesados, que aparecem brevemente dentro da interação. Os investigadores calcularam que a força deste efeito é de aproximadamente uma parte em cem mil. Para colocar isto em perspetiva, se estivesse a tentar detetar este sinal numa multidão de cem mil pessoas, estaria à procura de uma única pessoa que estivesse ligeiramente fora de ritmo. Este valor é demasiado pequeno para ser visto com a tecnologia atual, que só consegue detetar sinais que são cerca de dez mil milhões de vezes maiores.

Apesar de ser demasiado pequeno para ser visto agora, encontrar este efeito é importante porque representa uma previsão genuína do Modelo Padrão. Os investigadores demonstraram que este sinal minúsculo não é causado por uma violação fundamental da simetria nas leis da física, mas sim pela forma como as partículas se movem e interagem em loops. No entanto, como o sinal é complexo e possui uma estrutura matemática específica, ele cria um ruído de fundo que não pode ser removido. Se os cientistas no futuro descobrirem um efeito de quebra de simetria especular muito maior, precisarão de saber exatamente quão grande é este minúsculo ruído de fundo do Modelo Padrão para terem a certeza de que estão a ver algo novo. O estudo também analisou como este efeito ténue pode alterar a forma como as partículas voam a partir da desintegração. Descobriram que ele cria uma preferência muito ligeira para as partículas se moverem numa direção versus outra, ou para girarem de uma determinada forma. Estas preferências, conhecidas como assimetrias, também são extremamente pequenas, com valores em torno de um em um milhão ou um em dez milhões.

O artigo conclui que, embora estes efeitos sejam reais e tenham sido calculados pela primeira vez, são atualmente invisíveis aos nossos detetores mais sensíveis. O Grande Colisor de Hádrons, a máquina massiva que descobriu o bóson de Higgs, ainda não é suficientemente sensível para medir estas minúsculas desvios. Os investigadores observam que melhorias futuras na forma como analisamos os spins e as direções das partículas poderão eventualmente aproximar-nos deste objetivo. Até lá, este trabalho serve como um mapa crucial, definindo a linha de base exata do que o Modelo Padrão prevê. Garante que, quando finalmente virmos um sinal que quebra o espelho, saberemos com certeza que provém de nova física e não de um cálculo que nos escapou. O estudo confirma que o universo é consistente com as suas regras atuais, mesmo nos seus cantos mais subtis e ocultos.