Cientistas do CERN relataram suas primeiras evidaªncias significativas de um processo previsto pela teoria, abrindo caminho para pesquisas de evidaªncias de nova física em processos departículas que poderiam explicar a matéria escura e outros mistanãrios do universo.

Hoje, a colaboração do CERN NA62, que éparcialmente financiada pelo Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia do Reino Unido (STFC) e envolve vários cientistas do Reino Unido, apresentou na conferaªncia ICHEP 2020 em Praga a primeira evidência experimental significativa para a deterioração ultra-rara de o kaon carregado em um pa­on carregado e dois neutrinos (ou seja, K + → Ï€ + νν).

O processo de decaimento éimportante na pesquisa de ponta em física, pois émuitosensívela desvios das previsaµes tea³ricas. Isso significa que éuma das coisas mais interessantes a serem observadas pelos fa­sicos que procuram evidaªncias que apoiem ​​o modelo tea³rico alternativo na física departículas .

O professor Mark Thomson, fa­sico departículas e presidente executivo do STFC, disse que este foi um progresso emocionante porque o resultado mostra como medições precisas desse processo podem levar a uma nova física, além do modelo padrãode física departículas desenvolvido na década de 1970:

"O Modelo Padra£o descreve as forças fundamentais e os blocos de construção do universo. a‰ uma teoria de grande sucesso, mas existem vários mistanãrios do universo que o Modelo Padra£o não explica, como a natureza da matéria escura e as origens do universo. desequila­brio matéria-antimatéria no universo.

"Os fa­sicos tem procurado por extensaµes tea³ricas ao modelo padra£o. As medições de processos ultra-raros fornecem um caminho interessante para explorar essas possibilidades, com a esperana§a de descobrir uma nova física além do modelo padra£o".

Os participantes do Reino Unido nesta pesquisa são das Universidades de Birmingham, Bristol, Glasgow e Lancaster, e foram financiados pelo STFC, que faz parte da Pesquisa e Inovação do Reino Unido, bem como pela Royal Society e pelo European Research Council (ERC).

O experimento NA62 foi projetado e construa­do, com uma contribuição significativa do Reino Unido, especificamente para a medição desses decaimentos ultra-raros de kaon, a partir de kaons produzidos por um aºnico feixe de pra³tons de alta intensidade fornecido pelo complexo acelerador CERN. Os kaons são criados colidindo pra³tons de alta energia do Super Proton Synchrotron (SPS) do CERN em um alvo estaciona¡rio de bera­lio. Isso cria um feixe departículas secunda¡rias que contanãm e propaga quase um bilha£o departículas por segundo, cerca de 6% das quais são kaons. O principal objetivo do NA62 émedir com precisão como a parta­cula kaon carregada se decompaµe em um par pion e um par neutrino-antineutrino. O Reino Unido tem um forte papel de liderana§a na análise de decaimento K + → Ï€ + νν.

"Esse processo de decaimento kaon échamado de 'canal de ouro' por causa da combinação de ser ultra raro e excelentemente previsto no Modelo Padra£o. a‰ muito difa­cil capturar e manter uma promessa real para os cientistas que procuram por nova física", explica o professor. Cristina Lazzeroni, física departículas na Universidade de Birmingham e porta-voz da NA62.

"a‰ a primeira vez que conseguimos obter evidaªncias experimentais significativas para esse processo de decaimento. a‰ um momento emocionante, porque éum passo fundamental para capturar a medição precisa do decaimento e identificar possa­veis desvios do modelo padra£o.

"Por sua vez, isso nos permitira¡ encontrar novas maneiras de entender nosso universo. Os instrumentos e técnicas desenvolvidas no experimento NA62 levara£o a  próxima geração de experimentos raros de decaimento de kaon".

O novo resultado medido com uma precisão de 30%, fornece a medida mais precisa atéa data deste processo. O resultado éconsistente com a expectativa do modelo padra£o, mas ainda deixa espaço para a existaªncia de novas partículas

Sa£o necessa¡rios mais dados para se chegar a uma conclusão definitiva sobre a presença ou não da nova física.

O pesquisador do STFC Ernest Rutherford, Dr. Giuseppe Ruggiero, da Universidade de Lancaster, éo principal analista dessa medida desde 2016 e ajudou a criar o experimento. Ele disse:

"A análise dos dados do experimento representou um desafio real. Tivemos que suprimir uma enorme quantidade de dados indesejados, em cerca de mil bilhaµes de vezes. E tivemos que fazer isso sem perder o pequeno sinal que quera­amos detectar. Isso émuito mais desafiador do que encontrar uma agulha em um milha£o de palheiros! Usamos um manãtodo chamado técnica de análise cega. Assim chamado, porque a análise éfeita sem olhar na regia£o, ou "caixa cega", onde o sinal deveria estar ".

O STFC também financiou duas Bolsas Ernest Rutherford, uma na Universidade de Liverpool e depois em Lancaster, e uma na Universidade de Birmingham. Além disso, três estudantes de doutorado da Universidade de Birmingham receberam apoio do STFC e um agora trabalha como pesquisador de pa³s-doutorado no projeto. Todos os cinco fa­sicos 'no ini­cio da carreira' trabalharam no projeto.

Os dados utilizados na pesquisa foram coletados entre 2016 e 2018 no site Prevessin do CERN, na Frana§a, e a pesquisa envolve mais de 200 cientistas de 31 instituições. Um novo período de coleta de dados comea§ara¡ em 2021 e permitira¡ a  colaboração do NA62 dar uma resposta mais definitiva a  questãoda nova física.

O novo resultado vem de uma análise detalhada do conjunto completo de dados NA62 coletados atéo momento, correspondendo a  exposição de decaimentos de 6 a— 10 12 kaon. Como o processo que estãosendo medido étão raro, a equipe teve que ser particularmente cuidadosa para não fazer nada que pudesse influenciar o resultado. Por esse motivo, o experimento foi realizado como uma "análise cega", em que os fa­sicos inicialmente olham apenas o pano de fundo para verificar se o entendimento das várias fontes estãocorreto.

Somente quando estãosatisfeitos com isso, eles olham para a regia£o dos dados onde o sinal deve estar; isso échamado de "análise cega". Apa³s uma análise cega, dezessete candidatos a K + → Ï€ + νν são observados no conjunto de dados principal coletado em 2018, revelando um excesso significativo no cena¡rio esperado de apenas 5,3 eventos.

Esse excesso leva a  primeira evidência desse processo (com significa¢ncia estata­stica acima donível"três sigma"). A taxa de decaimento, medida com uma precisão de 30%, fornece a medida mais precisa atéa data deste processo. O resultado éconsistente com a expectativa do modelo padra£o, mas ainda deixa espaço para novos efeitos fa­sicos. Sa£o necessa¡rios mais dados para chegar a uma conclusão definitiva sobre a presença ou não da nova física.

A probabilidade desse processo ocorrer, denominada "taxa de ramificação", para a deterioração ultra-rara de K + → Ï€ + νν émuito pequena e prevista no Modelo Padra£o da física departículas com alta precisão: (8,4 ± 1,0) a— 10 - 11 . Isso leva a uma sensibilidade excepcional aos possa­veis fena´menos além da descrição do Modelo Padra£o, tornando esse decaimento um "modo de ouro", isto anã, um dos observa¡veis ​​mais interessantes na fronteira de precisão da física de partículas No entanto, o estudo experimental éextremamente desafiador devido a  pequena taxa, um par de neutrinos no estado final e enormes processos potenciais em segundo plano. Devido a s suas caracterí­sticas, o experimento NA62 apresenta excelente sensibilidade a uma variedade de decaimentos raros de caos e processos exa³ticos.

A colaboração do NA62 estãose preparando para coletar um conjunto de dados ainda maior em 2021–24, quando o CERN SPS reiniciara¡ a operação, levando os dados em uma intensidade de feixe mais alta com uma linha de feixe aprimorada e configuração do detector. O pra³ximo alvo éuma observação "cinco sigma" do decaimento K + → Ï€ + νν, seguida de uma medição da taxa de decaimento com uma precisão de 10%, proporcionando assim um poderoso teste independente do Modelo Padra£o da física de partículas O horizonte de um novo programa de física com sensibilidade a s taxas de decaimento bem abaixo donível10 -11 estãoagora a  vista.

Para o futuro a longo prazo, um programa de feixe kaon de alta intensidade estãocomea§ando a tomar forma, com perspectivas de medir o decaimento K + → Ï€ + νν com precisão de alguns%, para abordar o decaimento ana¡logo do kaon neutro, KL → Ï€ 0 νν, e alcana§ar sensibilidades extremas a uma grande variedade de decaimentos raros de kaon que são complementares a s investigações no setor de quarks de beleza.