Decaimento raro detectado no LHC

Image 1: A candidate B<sub>s</sub> → μμ event recorded in the CMS detector in 2012, produced in proton-proton collisions at 8 TeV. (Ultra-high-resolution image below, Image 5.)

Imagem 1: Um evento candidato a Bs → μμ detectado em CMS durante 2012 e
produzido em colisões entre protões at 8 TeV.

O CMS detectou um importante e raro decaimento previsto pelo Modelo Padrão da física de partículas. A medida do decaimento de mesões Bs (pronunciado bê-subesse) em pares de muões, será anunciada hoje na conferência bienal da Sociedade Europeia de Física, EPS-HEP, em Estocolmo, Suécia, e chega depois de uma espera de cerca de 25 anos.
Por cada mil milhões de mesões Bs produzidos, espera-se que apenas três decaiam em dois muões, primos mais pesados do electrão. Estes decaimentos são processos ideais para procurar sinais de nova física.

À procura de algo novo
Não obstante o sucesso do Modelo Padrão (MP) da física de partículas ao longo de décadas, obtido através de múltiplas previsões que foram verificadas experimentalmente, sabemos que pode não ser uma teoria completa: não oferece uma explicação para a evidência cosmológica da matéria escura, nem explica o domínio da matéria sobre a antimatéria no universo. Se a nova física estiver ao seu alcance, o LHC irá revelá-la, e CMS tem procurado sistematicamente indicações de várias extensões propostas para o Modelo Padrão.

O decaimento de mesões B (compostos de um quark “bottom” e um outro quark mais leve) em dois muões (μ) é um canal ideal para procurar evidência indireta de nova física. Os decaimentos de dois tipos de mesões B – B0 (composto de um quark “bottom” e um quark “down”) e Bs (composto de um quark “bottom” e um quark “strange”) – em pares de muões são muito suprimidos no MP. No entanto, várias extensões do MP prevêem um desvio significativo das taxas de decaimento em ambos os sentidos (aumento ou maior supressão). Se a medida da taxa de decaimento de um destes mesões B for incompatível com a previsão do MP, teremos um sinal de nova física em acção. Durante quase 25 anos, várias experiências em diversos aceleradores de partículas procuraram estes decaimentos raros. Os limites superiores na taxa de decaimento estabelecidos experimentalmente melhoraram quatro ordens de grandeza ao longo do tempo, com a sensibilidade das experiências a aproximar-se, recentemente, dos valores previstos pelo MP. No caso do decaimento Bs → μμ, o LHCb mostrou em Novembro de 2012 a primeira evidência experimental da sua existência com uma significância de 3.5σ [1].

Agulhas num palheiro
A pesquisa experimental de processos raros tem por objectivo revelar uma mão cheia de eventos de sinal entre um grande número de outros eventos: no MP espera-se que apenas três em cada mil milhões de mesões Bs decaiam em dois muões, sendo que a taxa de decaimento esperada para o mesão B0 é ainda menor.

O primeiro obstáculo para encontrar estes decaimentos raros é a identificação de potenciais candidatos produzidos nas colisões entre protões que têm lugar no centro do detector CMS. A cada segundo, o CMS selecciona cerca de 400 das colisões mais promissoras, entre as quais cerca de 10 são selecionadas especificamente para as pesquisas de B → μμ. Subsequentemente, estes acontecimentos são classificados de acordo com as propriedades dos dois muões de forma a rejeitar o maior número possível de eventos que não são sinal, tentando manter ao mesmo tempo, o maior número possível de eventos de sinal.

Para além de procurar os dois muões produzidos a partir dos decaimentos de mesões B, o CMS necessita também de determinar precisamente o número total de mesões B produzidos. Tal medida é feita utilizando os já conhecidos e mais abundantes decaimentos de mesões B0.

 Terra (conhecida) à vista

Image 3: The di-muon mass distribution. The purple and red curves show the B<sup>0</sup> and B<sub>s</sub> signals, respectively, while the dashed line, and the green and black shapes show three different types of background. The solid curve shows the sum of the fit components.

Imagem 2: Distribuição de massa de di-muões. As curvas a violeta e vermelho mostram
os sinais de B0 e Bs, respectivamente. Três tipos diferentes de processos não
relacionados com os sinais são representados pelas linhas a ponteado. A linha azul
representa a soma de todas as contribuições consideradas no ajuste aos dados.

Para a presente medida foram utilizados dados tomados pelo CMS em 2011 e 2012, correspondentes a amostras de 4.9 fb-1 e 20.4 fb-1 (fentobarn inverso [2]), respectivamente. A distribuição de massa dos di-muões revela um excesso de Bs → μμ acima da expectativa de acontecimentos de fundo.

Esta medida tem um significado de 4.3σ. Um artigo que apresenta o resultado foi submetido para publicação na revista Physical Review Letters. Esta medida de Bs → μμ no CMS é consistente com a previsão do MP de 3.6±0.3×10-9, continuando assim a longa série de observações experimentais compatíveis com o MP. A taxa de decaimento B0 → μμ também é medida; sem evidência significativa para este decaimento, o CMS estabelece um limite superior de 1.1 ×10-9 a um nível de confiança de 95%[3], também em acordo com a previsão do MP.

Próximos passos
A emoção desta fantástica medida experimental traz consigo uma ponta de desilusão para aqueles que procuram nova física. Grande parte do interesse no estudo do decaimento B>sub>s → μμ reside no seu potencial para revelar as imperfeições do Modelo Padrão. No entanto, a história está longe de terminar. Com a continuação do programa de física do LHC, mais colisões estarão disponíveis para análise, e a precisão com que o CMS e outras experiências poderão medir estes e outros decaimentos raros poderá apenas melhorar. Maior precisão será útil para limitar as possibilidades de nova física e poderá apontar o caminho futuro para a física de altas energias. Por exemplo, o recomeço do LHC em 2015 colocará a sensibilidade do CMS ao nível de poder medir a taxa de decaimento de B0 → μμ conforme prevista pelo MP.

[1] O desvio padrão mede a dispersão de um conjunto de medidas em torno do valor médio. É normalmente usado como medida do nível de concordância de uma amostra de dados com determinada hipótese. Os físicos medem a quantidade de desvios padrão em unidades que designam de “sigma”. Quanto mais elevado é o número de sigma menor é a compatibilidade dos dados com a hipótese assumida como verdadeira. Em geral, quanto mais inesperada é uma descoberta, maior é o número de sigma requerido pelos físicos para ficarem convencidos da sua veracidade.
[2] http://news.stanford.edu/news/2004/july21/femtobarn-721.html
[3] Nível de confiança é uma medida estatística da percentagem dos resultados de um teste que se podem esperar encontrar num determinado intervalo. Por exemplo, um nível de confiança de 95% é atribuído a uma acção que resultará nas expectativas em 95% dos casos.

Retirado do Comunicado Oficial do experimento CMS

Para mais informação científica consultar os artigos do CMS e do LHCb no repositório do arXiv.

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