Search for the rare decay
Utilizando uma amostra de aproximadamente 10 bilhões de eventos coletados pelo detector BESIII, pesquisadores buscaram o raro decaimento , não encontraram um sinal significativo e estabeleceram um novo limite superior para sua fração de ramificação de ao nível de confiança de 90%, melhorando os limites anteriores em mais de um fator de quatro.
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No mundo subatômico, as partículas não são apenas minúsculos blocos de construção; elas também são mensageiras das regras mais fundamentais do universo. Entre essas regras estão as simetrias — padrões ocultos que ditam como as partículas se comportam e se transformam. Uma dessas regras é a conjugação de carga, ou simetria C, que essencialmente pergunta: se você trocasse cada partícula em uma reação pelo seu gêmeo de antimatéria, as leis da física pareceriam exatamente as mesmas? Para a maioria dos processos cotidianos, a resposta é sim. No entanto, os físicos suspeitam há muito tempo que a natureza pode, ocasionalmente, quebrar essa regra de formas muito específicas e raras. Encontrar tal quebra seria uma descoberta monumental, sugerindo uma nova física além da nossa compreensão atual do universo.
Duas partículas, o eta e o eta-prime, situam-se no centro desta investigação. Elas são neutras, o que significa que não carregam carga elétrica, e são feitas de uma mistura de quarks, os constituintes fundamentais da matéria. Devido à sua composição única e às rigorosas leis de conservação que as governam, espera-se que essas partículas decaiam de maneiras muito previsíveis. Se elas decaíssem em três fótons — partículas de luz — em vez de seus dois usuais, isso sinalizaria uma violação da simetria C. Tal evento é tão improvável sob nossas teorias atuais que encontrá-lo seria como avistar um grão de areia específico em uma vasta praia, mas é precisamente esse tipo de busca por agulha no palheiro que impulsiona a física de partículas moderna.
Uma equipe de pesquisadores da Colaboração BESIII deu agora um passo gigante nesta busca. Utilizando um detector de partículas gigante localizado no Instituto de Física de Alta Energia em Pequim, eles analisaram um conjunto colossal de dados contendo mais de dez bilhões de colisões de elétrons e pósitrons. Essas colisões, ocorrendo em uma instalação chamada BEPCII, produzem uma chuva de partículas, incluindo o méson J/psi. Os pesquisadores focaram em uma cadeia específica de eventos: um méson J/psi decaindo em um fóton e uma partícula eta-prime, seguida por essa partícula eta-prime decaindo em três fótons. Para detectar esse evento raro, a equipe teve que filtrar uma montanha de dados, procurando por uma assinatura muito específica: um surto de energia de três flashes distintos de luz, sem outras partículas carregadas presentes na mistura final.
O desafio era imenso. O detector, um cilindro complexo preenchido com instrumentos sensíveis, registra depósitos de energia de partículas que passam por ele. A equipe teve que filtrar bilhões de eventos de fundo que poderiam imitar seu sinal, como casos em que uma partícula decai em dois fótons e um terceiro fóton não relacionado é detectado por perto. Eles utilizaram simulações computacionais sofisticadas para entender como seu detector responderia tanto ao sinal que estavam caçando quanto ao ruído que o obscureceria. Ao aplicar filtros rigorosos ao tempo e à energia dos flashes de luz, e ao verificar que a massa combinada dos três fótons correspondia à massa conhecida da partícula eta-prime, eles estreitaram o campo para um número gerenciável de candidatos.
Após realizar sua análise, os pesquisadores não encontraram evidências do decaimento raro que procuravam. Os dados não mostraram nenhum pico significativo no número de eventos de três fótons que pudesse ser atribuído à quebra das regras pela partícula eta-prime. Em vez disso, os resultados foram consistentes com flutuações aleatórias de fundo. Esta ausência de um sinal é, por si só, um resultado poderoso. Permitiu que a equipe estabelecesse um novo e muito mais rigoroso limite sobre o quão frequentemente esse decaimento proibido poderia possivelmente ocorrer. Eles determinaram que, se o decaimento ocorre, ele acontece menos de 2,25 vezes a cada 100.000 partículas eta-prime produzidas. Este novo limite superior é mais de quatro vezes mais rigoroso do que a melhor medição anterior, efetivamente expandindo as fronteiras do que é possível no mundo subatômico.
As implicações deste resultado nulo são significativas para a busca mais ampla de compreensão do universo. Ao excluir o decaimento neste nível de sensibilidade, o estudo impõe restrições severas a teorias que preveem novas fontes de violação de simetria. Se a nova física existe e permite que o eta-prime se divida em três fótons, ela deve ser ainda mais elusiva do que se pensava anteriormente. O trabalho dos pesquisadores é um testemunho do poder da paciência e da precisão na ciência; ao observar dez bilhões de eventos e não encontrar nada, eles conseguiram remover uma camada de incerteza, aproximando-nos de uma imagem completa de como as forças fundamentais da natureza operam.
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