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Cientistas descobrem assimetria entre matéria e antimatéria

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/05/2010

O novo tipo de violação CP agora descoberto - uma nova forma pela qual as partículas elementares quebram a simetria matéria-antimatéria - está em desacordo com as previsões do Modelo Padrão da física de partículas.
[Imagem: DZero]

DZero

Cientistas do experimento DZero afirmam ter encontrado evidências de uma significativa violação da simetria matéria-antimatéria no comportamento das partículas contendo quarks bottom - bem mais do que o previsto pela teoria atual, o Modelo Padrão da física de partículas.

O grupo de cientistas do DZero trabalha no Tevatron, o maior acelerador de partículas dos Estados Unidos, localizado no Fermilab, o segundo maior do mundo, perdendo apenas para o LHC.

O experimento DZero é resultado de uma colaboração internacional de cerca de 500 físicos de 86 instituições de 19 países, inclusive do Brasil.

Para onde foi a antimatéria?

Segundo a teoria, o Big Bang deve ter produzido quantidades iguais de matéria e antimatéria.

Mas o mundo ao nosso redor é feito apenas de matéria, e as antipartículas só podem ser produzidas nos grandes colisores, em reações nucleares ou pelos raios cósmicos - veja mais em Descoberta partícula de antimatéria mais estranha já vista.

"O que aconteceu com a antimatéria?" é uma das questões centrais da física do século 21.

Equilíbrio entre matéria e antimatéria

O domínio da matéria que observamos no universo somente é possível se houver diferenças no comportamento das partículas e das antipartículas.

Os físicos vêm observando essas diferenças - conhecidas como "Violação de CP" - ao longo de décadas, e elas são plenamente coerentes com o Modelo Padrão.

Mas seu poder explicativo sobre o desequilíbrio matéria-antimatéria é mínimo, porque as diferenças observadas no comportamento de partículas e antipartículas são reconhecidamente pequenas demais para explicar a predominância da matéria sobre a antimatéria no Universo.

Agora, os novos resultados indicam uma diferença de 1% entre a produção de pares de múons e pares de antimúons no decaimento dos mésons B, confirmando a deficiência explicativa do Modelo Padrão.

As colisões produziram pares de partículas de matéria ligeiramente mais frequentemente do que geraram partículas de antimatéria.

"Nós ficamos arrepiados quando vimos o resultado", disse Stefan Soldner-Rembold, um dos 500 cientistas do experimento DZero. "Sabíamos que estávamos vendo algo além do que jamais vimos antes e além do que as atuais teorias conseguem explicar".

Fenômenos físicos desconhecidos

E de fato parece haver motivos para se arrepiar.

Muito mais significativo do que criticar deficiências das teorias atuais, o experimento aponta no sentido de que o predomínio da matéria no Universo deve resultar de novos fenômenos físicos, ainda desconhecidos hoje.

Com base na precisão sem precedentes dos detectores do Fermilab, juntamente com novos métodos de análise recém-desenvolvidos, os cientistas do experimento DZero demonstraram que a probabilidade de que os resultados sejam compatíveis com qualquer efeito conhecido é inferior a 0,1 por cento (um desvio-padrão de 3,2).

"Este novo resultado entusiasmante fornece indícios de desvios da teoria atual no decaimento dos mésons B, em acordo com indicações anteriores," disse Dmitri Denisov, outro membro do DZero. As "indicações anteriores" a que ele se refere foram obtidas no ano passado no próprio acelerador Tevatron.

Assimetria matéria-antimatéria

Se a simetria entre matéria e antimatéria fosse perfeita, a comparação das distribuições de múons nas duas configurações deveria produzir o mesmo resultado.
[Imagem: Fermilab]

O resultado obtido no DZero é baseado na comparação das distribuições de múons positiva e negativamente carregados gerados nas colisões de partículas. O campo magnético do detector força os múons a viajar em uma rota curvilínea. Dois múons com cargas opostas seguem rotas que se curvam em direções opostas.

Primeiro os cientistas compararam as distribuições dos múons quando o campo magnético no interior do detector DZero estava em uma direção (configuração 1) e depois compararam as distribuições quando o campo magnético foi invertido (configuração 2).

Se a simetria entre matéria e antimatéria fosse perfeita, a comparação das distribuições de múons nas duas configurações deveria produzir o mesmo resultado. Mas os dados mostram um desvio de 1%, um indício de uma assimetria entre matéria e antimatéria.

Análise cega

Para obter o novo resultado, os físicos do DZero fizeram uma "análise cega" dos dados, somente olhando o conjunto completo dos dados depois de um longo período de observação. Segundo eles, isso evita qualquer viés com base nas observações.

Eles também inverteram a polaridade do campo magnético do seu detector durante a coleta de dados para cancelar eventuais efeitos induzidos pelos instrumentos.

A precisão das medições ainda é limitada pelo número de colisões registradas até agora pelo experimento. Por isso, o grupo continua recolhendo dados e refinando as análises para aumentar a confiabilidade de seus resultados e fundamentar melhor suas conclusões.

Nova física

O instrumento LHCb, um dos instrumentos do Grande Colisor de Hádrons, o maior acelerador de partículas do mundo, foi projetado para responder às mesmas questões agora analisadas no Tevatron.

Ainda mais potente e sensível, resta agora esperar para ver o que o LHCb terá a dizer sobre o desequilíbrio entre matéria e antimatéria no Universo.

Se os resultados se confirmarem, os físicos poderão começar a trabalhar em uma nova física do século 21, que poderá falar de fenômenos físicos desconhecidos pela física do século 20.