Esta semana, físicos do Grande Colisor de Hádrons revelaram a descoberta de vestígios que podem indicar uma nova partícula fundamental. Ela pode ser um primo mais pesado do bóson de Higgs, ou até mesmo o gráviton – um elemento quântico que contém a força da gravidade.

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A evidência vem de dois experimentos separados, porém complementares, conhecidos como CMS (Solenoide de Múon Compacto) e ATLAS (Dispositivo Instrumental Toroidal para o LHC).

Nenhuma dessas constatações é sólida o bastante para reivindicar uma descoberta, mas é promissor o fato de que ambos os experimentos viram pistas de uma partícula exatamente no mesmo local.

Sigma

Valores sigma são uma medida para representar a possível presença de uma partícula. Para um resultado ser considerado uma “descoberta”, é preciso ter um sigma 5: isso equivale a uma probabilidade de 1 em 3,5 milhões de o resultado ser um acaso. O sigma 3 é considerado um resultado “interessante”, com uma chance maior de ser coincidência.

A equipe do CMS encontrou resultados com significância estatística de sigma 2,6, enquanto a equipe ATLAS obteve sigma 3,6.

É possível que esse sinal em particular desapareça à medida que os cientistas do LHC recolhem mais dados. Isso acontece o tempo todo na física de partículas, daí a advertência de praticamente todo físico para não estourar o champanhe ainda.

Então por que deram tanta atenção à nova descoberta? Bem, como observa o New York Times, o CMS e o ATLAS viram há quatro anos algumas pistas do bóson de Higgs (que ainda não havia sido descoberto) e elas tinham sigma baixo. Seis meses depois, os cientistas acumularam dados suficientes para ultrapassar o limiar crítico do sigma 5 e divulgar a descoberta.

Saltos

Para ter uma ideia melhor, vamos dar uma olhada em como o LHC coleta e analisa dados. A máquina colide prótons a velocidades próximas da velocidade da luz, e essas colisões de alta energia produzem chuvas de partículas. Os físicos reconhecem as partículas pelas assinaturas eletrônicas que elas deixam para trás, na forma de padrões nucleares de decaimento.

Funciona assim: quarks só existem por frações de segundo antes de decaírem em outras partículas secundárias. Uma vez que cada quark tem muitas maneiras diferentes de decair, existem várias assinaturas possíveis, e cada uma tem de ser examinada para determinar quais partículas estavam presentes no momento da colisão.

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Colisão entre um par de fótons observado pelo detector CMS. Crédito: CERN

É por isso que os detectores usados ​​nos experimentos ATLAS e CMS são necessários para manter o controle do que está acontecendo, e para dar sentido aos dados. Os detectores atuam como um filtro, recolhendo assinaturas de uma partícula desconhecida a partir de dezenas de milhares de sinais criados a cada milionésimo de segundo dentro do acelerador.

Os físicos sabem exatamente a quantidade que devem esperar, nos dados, de cada tipo de partícula; qualquer excesso acima de um certo limite é um indício promissor de descobertas – como uma nova partícula.

Esses sinais aparecerem como “saltos” inesperados nos dados, algo que os físicos de partículas experimentais procuram o tempo todo. Por isso, é fácil ver pequenos “saltos” que não estão realmente lá; artefatos estatísticos surgem o tempo todo, especialmente durante análises iniciais de dados. Quanto mais dados você tiver, melhor será a análise estatística. Se um “salto” pequeno persiste e se torna maior – com o sinal ficando mais forte – é muito mais provável que seja a assinatura de uma nova partícula.

Evitando falsos positivos

Como dissemos, os físicos falam sobre a força desse sinal em termos de sigma. E o ruído de fundo torna mais difícil a tarefa de alcançar um sigma maior. Como explica o físico de partículas Matthew Strassler, “sinal” é o que você está procurando, e “fundo” é tudo o que se assemelha a seu sinal, e faz com que seja difícil encontrá-lo.

Uma das maneiras que os físicos se protegem contra falsos positivos é usando o “efeito olhe em outro lugar”.

É preciso calcular a probabilidade de ver algo diferente em qualquer lugar dos dados, não apenas no local específico do “salto”. Uma vez que esse efeito é contabilizado, a significância estatística do experimento mais recente cai para sigma 1,2 no CMS e sigma 1,9 no ATLAS. Ou seja, os resultados do ATLAS e CMS são inconclusivos.

Acontece! Este ano, havia indícios relatados de um possível primo mais pesado para o bóson de Higgs, assim como vislumbres de uma eventual partícula supersimétrica, apelidada de “borda”. Ambos os sinais desapareceram na última análise, depois que mais dados foram adicionados.

Mas, como dissemos antes, grandes descobertas já começaram com valores baixos de sigma. Em meados do ano que vem, os dois experimentos devem apresentar resultados a partir de mais dados recentes do LHC – e então saberemos ao certo se temos uma nova partícula.

“Estamos naquele momento interessante quando tudo o que podemos dizer é que pode haver algo real e novo nestes dados, e temos que levar isso muito a sério”, escreve Strassler sobre os novos resultados. “Nós também temos que levar a sério as análises estatísticas desses saltos, e eles não são tão promissores quanto parecem a olho nu.”