Search for new physics with charm data at BESIII

O universo que vemos ao nosso redor é feito de matéria, embora as leis da física que governam as menores partículas sugiram que o Big Bang deveria ter criado quantidades iguais de matéria e antimatéria, que se aniquilariam instantaneamente. Esse descompasso é um dos grandes enigmas não resolvidos da ciência moderna, juntamente com o mistério de por que os neutrinos, partículas fantasmagóricas que atravessam tudo, possuem massa. O Modelo Padrão, nosso melhor mapa atual do mundo subatômico, descreve como as partículas interagem, mas não consegue explicar essas lacunas. Para encontrar as peças que faltam, os físicos procuram por eventos raros onde as regras parecem ser quebradas, como processos que violam a conservação do número leptônico ou do número bariônico. O número leptônico é uma contagem de certas partículas leves, como os elétrons, enquanto o número bariônico conta partículas mais pesadas, como prótons e nêutrons; no Modelo Padrão, essas contagens são estritamente preservadas. Se os cientistas conseguirem flagrar uma partícula fazendo algo que altere essas contagens, ou se virem uma partícula se transformar em um tipo diferente de lépton sem um neutrino para equilibrar as contas, isso seria um sinal claro de uma nova física além de nossa compreensão atual.

No Colisor Elétron-Pósitron de Pequim, uma máquina que colide elétrons e seus contrapartes de antimatéria, o experimento BESIII reuniu uma coleção massiva de dados de colisões que criam charmonium, uma partícula pesada feita de um quark charm e seu antiquark. Este conjunto de dados, contendo bilhões de eventos, atua como um microscópio de alta precisão para caçar essas transformações proibidas. Os pesquisadores focaram em três vias principais: procurando por sinais de que os neutrinos são suas próprias antipartículas, buscando por partículas que mudam sua identidade de maneiras que o Modelo Padrão proíbe, e verificando se partículas pesadas de charmonium podem decair através de forças fracas de maneiras que são normalmente impossíveis. Ao analisar esses bilhões de colisões, a equipe foi capaz de estabelecer os limites mais rigorosos até o momento sobre a frequência com que esses eventos estranhos podem ocorrer, estreitando efetivamente o espaço de busca para novas teorias.

Na busca pela violação do número leptônico, a equipe procurou por um processo onde uma partícula pesada chamada bárion cascata decai em um bárion sigma mais leve e dois elétrons, uma reação que implicaria que o neutrino é uma partícula de Majorana, o que significa que é sua própria antipartícula. Usando uma técnica que reconstrói o evento de ambos os lados da colisão para garantir a precisidade, eles examinaram mais de dez bilhões de colisões. Eles não encontraram evidências de que esse decaimento esteja ocorrendo. Em vez de encontrar um sinal, eles calcularam que, se esse decaimento ocorre, deve acontecer menos de duas vezes em cada cem mil tentativas. Eles estenderam essa busca para outras partículas, incluindo mésons como o eta e o omega, procurando por decaimentos semelhantes onde uma partícula neutra se transforma em dois píons e dois elétrons. Novamente, nenhum sinal apareceu, e os pesquisadores estabeleceram que esses decaimentos são ainda mais raros, ocorrendo menos de algumas vezes em um milhão de tentativas para os mésons mais leves e menos de duas vezes em um bilhão para os mais pesados.

A busca também se voltou para a violação do número bariônico, especificamente procurando por um fenômeno onde um bárion lambda se transforma espontaneamente em seu gêmeo de antimatéria, um anti-lambda, e de volta a ele. Essa oscilação quebraria a regra de que matéria e antimatéria são distintas e conservadas separadamente. A equipe analisou o mesmo conjunto massivo de dados de colisões para encontrar eventos onde o estado final sugerisse que tal inversão havia ocorrido. Eles encontraram zero instâncias de isso acontecer. Com base na ausência de qualquer sinal, determinaram que, se essa oscilação de fato ocorre, deve acontecer menos de uma vez em cada um milhão de tentativas. Este resultado estabelece um novo limite mais estrito sobre o quão rápido tal transformação poderia ocorrer, empurrando o tempo mínimo requerido para a inversão para mais de três décimos de microssegundo, uma escala de tempo que é incrivelmente rápida, mas ainda muito além do que o Modelo Padrão permite.

O experimento também investigou a violação do sabor leptônico carregado, um processo onde uma partícula pesada decai em dois tipos diferentes de léptons carregados, como um elétron e um múon, sem os parceiros usuais de neutrinos. No Modelo Padrão, um elétron e um múon são famílias distintas que não se misturam desta forma. Os pesquisadores buscaram essa mistura no decaimento da partícula psi(3686) e nos decaimentos dos mésons eta e eta-prime. No caso do psi(3686), eles observaram um punhado de eventos candidatos, mas o número era consistente com o que seria esperado de ruído de fundo aleatório, em vez de um sinal genuíno. Para os mésons eta e eta-prime, os dados não mostraram excesso de eventos de forma alguma. Consequentemente, a equipe concluiu que esses decaimentos de mudança de sabor são extremamente raros, ocorrendo menos de uma vez em cada dez milhões a dez bilhões de tentativas, dependendo da partícula específica. Esses limites são significativamente mais apertados do que medições anteriores, eliminando efetivamente muitos modelos teóricos que previam que esses decaimentos seriam mais comuns.

Finalmente, a equipe buscou por decaimentos fracos de charmonium que envolvem uma mudança no sabor do quark charm, um processo que é fortemente suprimido no Modelo Padrão, mas poderia ser potencializado por nova física. Eles procuraram por decaimentos onde a partícula de charmonium se transforma em um méson D e outras partículas, ou onde emite um fóton ou um par de múons. Em todos os canais examinados, desde aqueles envolvendo um méson D e um méson rho até aqueles envolvendo um méson D e um elétron, nenhum sinal significativo foi encontrado. Os pesquisadores estabeleceram limites superiores sobre a frequência com que esses decaimentos poderiam ocorrer, encontrando que ocorrem menos de algumas vezes em cada dez milhões a dez bilhões de tentativas. Esses resultados fornecem um mapa abrangente de onde a nova física não está se escondendo, forçando os teóricos a refinar seus modelos para se ajustarem a essas restrições cada vez mais estritas.

O trabalho realizado pela colaboração BESIII não revela uma nova partícula ou uma lei da natureza quebrada, mas faz algo igualmente importante para a ciência: ele desenha um limite mais nítido sobre o que é possível. Ao usar as maiores amostras de dados de charm do mundo, a equipe mostrou que o universo é ainda mais obediente ao Modelo Padrão do que se pensava anteriormente, pelo menos nestes canais específicos. A ausência de sinais é um resultado poderoso, pois elimina uma ampla gama de possibilidades teóricas e guia a pesquisa futura para os poucos cantos restantes onde a nova física ainda pode estar à espera de ser descoberta. À medida que mais dados são coletados, esses limites continuarão a se estreitar, seja revelando uma rachadura no modelo atual ou empurrando a busca pela nova física para fronteiras ainda mais extremas.