A física moderna sabe muito sobre como o universo funciona, desde a grande escala de gala¡xias atéo tamanho infinitesimalmente pequeno de quarks e glaºons. Ainda assim, as respostas para alguns mistanãrios importantes, como a natureza da matéria escura e a origem da gravidade, permaneceram fora de alcance.

Os fa­sicos da Caltech e seus colegas que usam o Large Hadron Collider (LHC) da Organização Europanãia de Pesquisa Nuclear (CERN) em Genebra, Sua­a§a, o maior e mais poderoso acelerador departículas existente, e seu experimento Compact Muon Solena³ide (CMS) fizeram um nova observação de eventos muito raros que poderiam ajudar a levar a física além de sua compreensão atual do mundo.

A nova observação envolve a produção simulta¢nea de três ba³sons W ou Z, "parta­culas mediadoras" subatômicas que carregam a força fraca - uma das quatro forças fundamentais conhecidas - que éresponsável pelo fena´meno da radioatividade, além de ser um ingrediente essencial do sol. processos termonucleares.

Ba³sons são uma classe departículas que também incluem fa³tons, que compõem a luz; o ba³son de Higgs, que éconsiderado responsável por dar massa a  matéria; e glaºons, que unem núcleos. Os ba³sons W e Z são semelhantes entre si, pois ambos carregam a força fraca, mas são diferentes, pois o ba³son Z não tem carga elanãtrica. A existaªncia desses ba³sons, juntamente com outraspartículas subatômicas como glaºons e neutrinos, éexplicada pelo que éconhecido como Modelo Padra£o da física de partículas

O estudante de graduação Caltech Zhicai Zhang (MS '18), membro da equipe de pesquisa em Fa­sica de Alta Energia, liderada por Harvey Newman, o professor de Fa­sica Marvin L. Goldberger, e Maria Spiropulu, professora de Fa­sica Shang-Yi Ch'en, éum dos principais colaboradores da nova observação, trabalhando em conjunto com outros membros da equipe.

Os eventos que produzem os trios dos ba³sons ocorrem quando grupos intensos de pra³tons de alta energia que foram acelerados quase a  velocidade da luz são levados a uma colisão frontal em alguns pontos ao longo do caminho circular do LHC. Quando dois pra³tons colidem, os quarks e glaºons nos pra³tons são forçados a se separar e, como isso acontece, os ba³sons W e Z podem surgir; em casos muito raros, eles aparecem como trigaªmeos: WWW, WWZ, WZZ e ZZZ. Esses trigaªmeos dos ba³sons W e Z, diz Newman, são produzidos apenas em uma em cada 10 trilhaµes de colisaµes pra³ton-pra³ton. Esses eventos são registrados usando o CMS, que envolve um dos pontos de colisão ao longo do caminho do LHC. Zhang diz que esses eventos são 50 vezes mais raros do que aqueles usados ​​para descobrir o ba³son de Higgs.

"Com o LHC criando um número enorme de colisaµes, podemos ver coisas muito raras, como a produção desses ba³sons", diz Newman.

a‰ possí­vel que os ba³sons W e Z se auto-interajam, permitindo que os ba³sons W e Z criem ainda mais ba³sons W e Z; estes podem se manifestar como eventos com dois ou três ba³sons macia§os. Ainda assim, essa criação érara; portanto, quanto mais ba³sons são produzidos, menos frequente a produção acontece. A produção de dois ba³sons macia§os já havia sido observada e medida com boa precisão no LHC.

A criação desses ba³sons não era o objetivo especa­fico do experimento, diz Newman. Ao coletar dados suficientes, incluindo muitos eventos com trigaªmeos ba³son e outros eventos raros, os pesquisadores podera£o testar as previsaµes do Modelo Padra£o com maior precisão e, eventualmente, encontrar e conseguir estudar as novas interações que estãoalém dele.

"Sabemos, observando a rotação e a distribuição das gala¡xias, que deve haver matéria escura exercendo sua influaªncia gravitacional, mas a matéria escura não se encaixa no Modelo Padra£o. Nãoháespaço parapartículas escuras, nem inclui a gravidade, e simplesmente não funciona nas escalas de energia tipicas do universo primitivo nos primeiros momentos após o Big Bang. Sabemos que existe uma teoria mais fundamental ainda a ser descoberta do que o Modelo Padra£o ", diz Newman.

A próxima etapa experimental de três anos, prevista para 2021–24, já estãosendo preparada. No final dessa execução, o equipamento seráatualizado para aumentar em 30 vezes sua capacidade de coleta de dados. "Ha¡ muito potencial não realizado. As massas de dados que já coletamos ainda representam apenas alguns por cento do que esperamos coletar após as principais atualizações do CMS e do LHC, no LHC de alta luminosidade que estãoprogramado para rodar em 10 anos a partir de 2027. Estamos apenas no começo deste programa de 30 anos de física ", diz ele.