Search for rare charm decays at BESIII

O universo é construído sobre um conjunto de regras que os físicos chamam de Modelo Padrão. É um mapa bem-sucedido de como a matéria e a energia se comportam, mas deixa algumas das maiores questões sem resposta. Por que existe mais matéria do que antimatéria? O que é a matéria escura que mantém as galáxias unidas? Para encontrar as respostas, os cientistas não procuram apenas por novas partículas pesadas; eles também procuram por rachaduras no mapa existente. Eles caçam processos que são tão raros ou tão proibidos pelas regras atuais que encontrar até mesmo um único caso sinalizaria que algo novo está acontecendo. Um dos lugares mais promissores para procurar essas rachaduras é no mundo dos quarks charm. Estes são partículas pesadas e instáveis que decaem rapidamente, mas quando o fazem, podem revelar violações sutis de simetria ou mudanças inesperadas em sua identidade. Ao estudar bilhões desses decaimentos, os pesquisadores podem testar os limites de nossa compreensão e ver se o universo se comporta exatamente como o Modelo Padrão prevê, ou se ele guarda um segredo que requer uma nova teoria para explicá-lo.

No coração desta busca está o experimento BESIII, um detector massivo localizado em Pequim, China. Ele está situado dentro de um anel de armazenamento onde feixes de elétrons e seus contrapartes de antimatéria, os pósitrons, colidem entre si. Essas colisões criam um ambiente limpo onde novas partículas nascem e decaem imediatamente. Os pesquisadores coletaram uma quantidade enorme de dados, incluindo as maiores amostras do mundo de partículas específicas chamadas charmonium, que são estados ligados de um quark charm e um anti-charm. Com este vasto conjunto de dados, a equipe realizou uma revisão abrangente de vários tipos de decaimentos raros, procurando por sinais de física que o Modelo Padrão diz que não deveriam acontecer, ou que deveriam acontecer tão raramente que seriam efetivamente invisíveis.

A primeira área de investigação envolve o decaimento fraco do charmonium. No Modelo Padrão, espera-se que essas partículas decaiam através das forças forte ou eletromagnética, mas existe uma chance minúscula, quase impossível, de elas decairem via força fraca, que é responsável pela radioatividade. Os pesquisadores procuraram padrões específicos onde uma partícula charmonium se transforma em um par de outras partículas, como um méson D neutro e um méson K star. Para encontrar esses eventos raros, eles usaram uma técnica inteligente: reconstruíram um dos produtos de decaimento de uma forma que filtrava o ruído de fundo esmagador das colisões ordinárias de partículas. Após analisar os dados, não encontraram evidências desses decaimentos fracos. Em vez disso, estabeleceram um novo limite muito mais rigoroso sobre a frequência com que esses eventos poderiam possivelmente ocorrer, reduzindo a fronteira do que é permitido para um nível de um em dez milhões. Este resultado não prova que o decaimento acontece, mas descarta muitas teorias que previam que ele seria mais comum.

Em seguida, a equipe buscou correntes neutras de mudança de sabor. Na linguagem da física de partículas, isso descreve um processo onde um quark muda seu tipo, ou "sabor", sem mudar sua carga elétrica. O Modelo Padrão permite que isso aconteça, mas apenas através de loops indiretos complexos que tornam o processo extremamente raro. Os pesquisadores examinaram decaimentos onde uma partícula charmonium se transforma em um méson D neutro e um par de múons, ou um méson D neutro e um fóton. Eles também observaram decaimentos semelhantes envolvendo mésons D produzidos em um limiar de energia específico onde são criados em pares. Ao identificar um dos elementos do par, eles puderam estudar o outro com alta precisão. Nenhum sinal foi encontrado. Os limites estabelecidos por essas buscas estão agora se aproximando do nível onde o Modelo Padrão prevê que esses eventos ocorram, o que significa que, se uma nova física está escondida nesses decaimentos, ela o faz de forma muito sutil.

A busca também se estendeu à violação de sabor de léptons carregados. Embora saibamos que os neutrinos podem mudar seu sabor, o Modelo Padrão prevê que partículas mais pesadas, como elétrons e múons, nunca troquem de identidade em um decaimento. Encontrar um elétron transformando-se em um múon, ou vice-versa, seria um sinal claro de nova física. Os pesquisadores procuraram por isso em vários lugares: no decaimento de uma partícula psi em um elétron e um múon, e no decaimento de mésons eta no mesmo par. Eles utilizaram o ambiente limpo do colisor para distinguir esses eventos raros do ruído de fundo. O resultado foi uma ausência completa de tais eventos. Eles estabeleceram os limites mais rigorosos até agora para esses processos, descartando efetivamente muitos modelos que previam uma taxa mais alta de troca de sabor. Esses resultados nulos impõem restrições fortes às forças teóricas que poderiam causar tal violação.

Finalmente, a equipe investigou um princípio fundamental da natureza chamado simetria de Bose. Esta regra afirma que duas partículas idênticas com spin zero, como dois kaons neutros, não podem existir em um estado que viole certas propriedades da mecânica quântica. No caso específico de dois kaons neutros produzidos a partir de um decaimento de charmonium, o Modelo Padrão prevê que o evento deve ser proibido, a menos que ocorra uma pequena quebra de simetria. Os pesquisadores procuraram pela produção simultânea de dois kaons neutros. Eles não encontraram tais eventos. Os limites que estabeleceram são tão baixos que ficam abaixo das previsões de algumas teorias propostas envolvendo gravidade quântica e a violação da localidade, que sugerem que partículas emaranhadas poderiam se comportar de maneiras que quebram essas regras. No entanto, os resultados permanecem acima do nível ínfimo de violação esperado causado por fontes conhecidas de quebra de simetria dentro do Modelo Padrão.

Em resumo, a colaboração BESIII utilizou as maiores amostras de partículas charm do mundo para realizar as buscas mais sensíveis até o momento por decaimentos raros e proibidos. Eles não encontraram evidências da nova física que estavam caçando. Em vez disso, desenharam um círculo mais estreito ao redor do Modelo Padrão, mostrando que a natureza adere às suas regras com uma precisão notável. Embora novas partículas ou forças não tenham sido descobertas, o trabalho está longe de terminar. O experimento está programado para receber atualizações que aumentarão o número de colisões e melhorarão a capacidade de rastreamento de partículas. Com mais dados e melhores ferramentas, a busca pelas menores rachaduras no mapa da física continuará, impulsionada pela esperança de que, um dia, um único evento raro revele uma verdade mais profunda sobre o universo.