Por que uma nova e incrível observação do CERN está fazendo os físicos estourarem champanhe

Cientistas anunciaram a observação de “violação da simetria CP em um méson D” no CERN, uma descoberta que aparecerá nos livros escolares de física durante anos. Você provavelmente está imaginando o que isso significa.

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O Universo é cheio de matéria comum. Existe também antimatéria, até mesmo aqui na Terra, mas muito menos dela. Essa nova observação é importante por si só, mas também aproxima os físicos de explicar onde foi parar toda a antimatéria.

“Isso abre um novo campo”, disse Giovanni Passaleva, porta-voz do experimento LHCb que detecta colisões de partículas no Grande Colisor de Hádrons (LHC) no CERN, ao Gizmodo. “Nunca havíamos conseguido ver uma violação da simetria CP nesses quarks up, mas agora temos os instrumentos no LHC e no LHCb para explorá-la.”

Entender a violação da simetria CP requer começar do quark top, ou melhor, o quark charm. Existem seis tipos de quarks: up, charm e top, todos com uma carga elétrica de 2/3, e o down, o strange e o bottom, cada um com carga de -1/3.

Cada quark tem um parceiro antiquark com a mesma massa e a carga oposta (-2/3 em vez de 2/3, e 1/3 em vez de -1/3), e paridade oposta, que você pode pensar como quiralidade. Essas partículas se combinam em prótons e nêutrons que criam átomos além de uma variedade de outras partículas, como o méson D, uma partícula composta de quark charm e um antiquark up.

As leis da física diferem se apenas a paridade for trocada, mas devem permanecer as mesmas se a carga e a quiralidade são trocadas — isso se chama simetria CP e basicamente diz que a física se comporta da mesma maneira quando você troca uma partícula por uma imagem-espelho de sua antipartícula. Mas uma particularidade das antipartículas é que elas aniquilam quando elas encontram sua matéria correspondente comum — e, ainda assim, existe muito mais matéria do que antimatéria no Universo. Como é que isso aconteceu?

Uma potencial explicação por trás disso é a violação da simetria CP, ou violação CP — exemplos em que as leis da física funcionam diferentemente se você substitui uma partícula por outra partícula que tem a carga e a quiralidade opostas.

A violação CP foi observada pela primeira vez em káons, partículas que contêm quarks strange, em 1964. Foi algo muito importante, garantindo aos físicos James Cronin e Val Fitch o Prêmio Nobel em 1980. Ela foi detectada de novo no começo da década de 2000, nos mésons B, partículas que contêm quarks bottom.

Se você estiver prestando atenção, verá que tanto o quark bottom quanto o strange têm uma carga de -1/3. A violação CP nunca foi observada em um quark com uma carga de 2/3, mesmo que seja previsto que ele exista pelas regras da física de partículas, chamadas de modelo padrão. Quer dizer, não havia sido observada até agora.

O LHCb é um experimento que monitora colisões de prótons de alta energia no Grande Colisor de Hádrons, em Genebra, na Suíça. Esses prótons viajam quase na velocidade da luz e, quando colidem, transformam muito dessa energia em partículas que então decaem dentro do experimento.

Físicos do LHCb relataram nesta quinta-feira (21) na conferência de física Moriond, na Itália, que seu experimento mediu uma assimetria na taxa com que os mésons D decaíam virando outras partículas, em comparação com a taxa com que os antimésons D decaíam para virar outras partículas.

Sua análise revela que eles detectaram um exemplo de violação CP, especificamente no quark charm do méson D em comparação com o antiquark charm do antiméson D. Foi um efeito minúsculo que levou dezenas de milhões de mésons D para ver, mas ele estava lá.

Isso é importante. “A palestra de Federico Betti”, na qual o resultado foi anunciado, “foi bem recebida por um aplauso mais longo do que o habitual, e depois disso os organizadores [da conferência] chamaram (de surpresa!) toda a equipe do LHCb em Moriond no palco e ofereceram duas garrafas de champanhe”, disse Passaleva ao Gizmodo.

Porém, como é geralmente o caso da física de partículas, a história está longe de terminar. Mesmo com a nova descoberta, “a violação CP que vemos e previmos pelo modelo padrão não é suficiente para explicar por que toda a antimatéria desapareceu e por que temos mais matéria do que antimatéria no Universo”, disse Passaleva. “Precisamos encontrar novos fenômenos para explicar a diferença total entre matéria e antimatéria.”

A equipe vai continuar medindo a quantidade de violação CP para ver se concorda com a quantidade prevista no modelo padrão ou se difere — caso seja este o caso, pode ser um sinal de fenômenos físicos nunca antes vistos.

Mas, hoje, a equipe do LHCb está comemorando.