Observation of the and study of the decays
Utilizando dados de colisões próton-próton do LHCb, este artigo relata a primeira observação do decaimento raro com uma fração de ramificação medida de e fornece uma nova medição da razão da fração de ramificação entre e .
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No mundo subatômico, a natureza segue um conjunto rigoroso de regras conhecidas como o Modelo Padrão. Esta estrutura explica como os menores blocos de construção do universo interagem, mas também contém brechas raras. Uma dessas brechas envolve um tipo específico de transformação onde uma partícula pesada chamada quark bottom se transforma em um quark strange mais leve. De acordo com o Modelo Padrão, essa mudança é incrivelmente difícil de realizar; ela só pode acontecer através de caminhos indiretos e complexos que suprimem o evento, tornando-o uma ocorrência muito rara. Como esses eventos são tão raros, eles atuam como um teste sensível para as leis da física. Se o universo se comportar de forma ligeiramente diferente do que o Modelo Padrão prevê durante esses momentos raros, isso poderia ser um sinal de novas forças ou partículas desconhecidas escondidas nas sombras.
Por décadas, os cientistas focaram sua busca por esses eventos raros em partículas chamadas mésons, que são feitas de dois quarks. No entanto, existe outra família de partículas chamada bárions, que são feitas de três quarks. Esses bárions oferecem uma perspectiva diferente porque giram, adicionando uma camada de complexidade que os mésons não possuem. Até agora, a maior parte da pesquisa sobre essas transformações raras em bárions havia sido limitada a apenas um tipo, deixando uma lacuna em nossa compreensão de como essas regras se aplicam a partículas mais pesadas e complexas. O experimento LHCb no CERN, um detector massivo projetado para estudar partículas que contêm quarks pesados, voltou agora sua atenção para um bárion mais pesado conhecido como . Esta partícula é muito mais rara de ser produzida do que as estudadas anteriormente, tornando a busca por seus decaimentos raros um desafio significativo.
Uma equipe de pesquisadores usando o detector LHCb observou com sucesso um decaimento raro do bárion pela primeira vez. Neste processo, o bárion pesado transforma-se em uma partícula mais leve chamada e um par de múons, que são primos pesados do elétron. Este evento é impulsionado pela transição rara de um quark bottom para um quark strange. Para encontrar este sinal, a equipe analisou uma vasta quantidade de dados coletados de colisões próton-próton no Grande Colisor de Hádrons ao longo de vários anos. Eles buscaram por uma assinatura específica: uma cascata de decaimentos onde o bárion pesado primeiro se divide em um e dois múons, e então o próprio decai em uma partícula lambda e um píon, com a partícula lambda decaindo posteriormente em um próton e outro píon. Esta cadeia única de eventos cria um caminho distinto através do detector que é muito difícil de ser imitado pelo ruído de fundo.
Os pesquisadores encontraram evidências claras deste decaimento, observando um sinal que é estatisticamente significativo o suficiente para ser considerado uma descoberta. Eles contaram o número de vezes que este evento ocorreu e o compararam com um decaimento semelhante mais comum, onde o se transforma em um e uma partícula J/psi, que é um estado bem conhecido composto por um quark charm e sua antipartícula. Ao usar este decaimento comum como ponto de referência, a equipe pôde cancelar muitas incertezas relacionadas à frequência com que essas partículas são produzidas e como o detector as vê. Este método permitiu que eles medissem a probabilidade do evento raro com precisão muito maior. Eles determinaram que a fração de ramificação, que é a probabilidade de este decaimento específico ocorrer em relação a todas as formas possíveis de o decaimento ocorrer, é de aproximadamente . Isso significa que para cada dez milhões de decaimentos, este evento raro acontece aproximadamente uma vez, uma taxa que é surpreendentemente alta comparada a outros processos raros semelhantes envolvendo bárions.
O estudo também observou como este decaimento se comporta em diferentes níveis de energia, especificamente examinando a massa dos dois múons produzidos no evento. Os pesquisadores dividiram os dados em três intervalos distintos desta massa. No intervalo de energia mais alto, encontraram um sinal muito forte, confirmando que o decaimento ocorre frequentemente ali. No intervalo médio, encontraram evidências do decaimento, embora com menos certeza. No intervalo de energia mais baixo, o sinal foi fraco demais para ser confirmado, então estabeleceram um limite superior para a frequência com que ele poderia estar ocorrendo. Essas medições foram comparadas a previsões feitas por modelos teóricos baseados em cromodinâmica quântica em rede (lattice QCD), um método poderoso para calcular o comportamento dos quarks. Os resultados mostraram boa concordância com essas previsões, particularmente na região de alta energia, sugerindo que o entendimento atual do Modelo Padrão se mantém mesmo para estas partículas pesadas e complexas.
Além do decaimento raro do par de múons, a equipe também estudou um processo relacionado onde o decai em um e um primo mais pesado da J/psi, chamado . Eles mediram a razão de quão frequentemente isso acontece em comparação com o decaimento mais comum da J/psi. Eles descobriram que o decaimento ocorre cerca de metade das vezes que o decaimento J/psi. Este resultado é consistente com medições feitas em outros tipos de bárions e ajuda os cientistas a entender o papel das interações complexas que ocorrem quando estas partículas decaem. O fato de o decaimento raro do par de múons ocorrer a uma taxa comparável, ou até superior, a decaimentos semelhantes em partículas mais leves sugere que a massa elevada do pode compensar parcialmente sua baixa taxa de produção, tornando possível observar estes eventos elusivos.
Esta descoberta abre um novo capítulo no estudo dos bárions pesados. Ao confirmar que esses decaimentos raros ocorrem e medir suas taxas, os pesquisadores forneceram um novo marco para testar o Modelo Padrão. A capacidade de observar esses eventos em um sistema de bárion mais pesado, com suas propriedades únicas de spin, oferece uma maneira complementar de verificar desvios que possam sugerir nova física. À medida que o experimento LHCb continua a coletar mais dados nos próximos anos, os cientistas poderão estudar os padrões angulares detalhados desses decaimentos, potencialmente revelando segredos ainda mais profundos sobre as forças fundamentais que governam o universo. A observação do decaimento serve como um testemunho do poder da medição de precisão na busca para compreender os blocos de construção da realidade.
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