Assimetria de matéria-antimatéria em quarks

Físicos da Faculdade de Artes e Ciências da Universidade de Syracuse confirmaram que a matéria e a antimatéria decaem de maneira diferente para partículas elementares contendo quarks.

Distinto Professor Sheldon Stone diz que as descobertas são as primeiras, embora a assimetria de matéria-antimatéria tenha sido observada antes em partículas com quarks estranhos.

Ele e os membros do grupo de pesquisa de física de alta energia (HEP) do College mediram, pela primeira vez e com 99,999% de certeza, uma diferença na forma como os mésons D0 e os mésons anti-D0 se transformam em subprodutos mais estáveis.

Mesons são partículas subatômicas compostas de um quark e um antiquark, unidos por interações fortes.

"Houve muitas tentativas de medir assimetria de matéria-antimatéria, mas, até agora, ninguém conseguiu", diz Stone, que colabora na experiência da beleza do Grande Colisor de Hádrons (LHCb) no laboratório do CERN em Genebra, na Suíça. "É um marco na pesquisa de antimatéria."

As descobertas também podem indicar uma nova física além do Modelo Padrão, que descreve como as partículas fundamentais interagem umas com as outras. "Até então, precisamos aguardar tentativas teóricas para explicar a observação de maneira menos esotérica", acrescenta.

Cada partícula de matéria tem uma antipartícula correspondente, idêntica em todos os sentidos, mas com uma carga oposta. Estudos de precisão de átomos de hidrogênio e anti-hidrogênio, por exemplo, revelam semelhanças com a milésima casa decimal.

Quando as partículas de matéria e antimatéria entram em contato, elas se aniquilam em uma explosão de energia - semelhante ao que aconteceu no Big Bang, cerca de 14 bilhões de anos atrás.

"É por isso que há tão pouca antimatéria que ocorre naturalmente no Universo ao nosso redor", diz Stone, um membro da American Physical Society, que lhe concedeu o prêmio WKH Panofsky deste ano em Física Experimental de Partículas.

A questão na mente de Stone envolve a natureza igual e oposta da matéria e da antimatéria. "Se a mesma quantidade de matéria e antimatéria começou a existir no nascimento do Universo, não deveria ter sido deixado para trás nada além de pura energia. Obviamente, isso não aconteceu", diz ele em uma lufada de eufemismo.

Assim, Stone e seus colegas do LHCb têm procurado sutis diferenças na matéria e na antimatéria para entender por que a matéria é tão predominante.

A resposta pode estar no CERN, onde cientistas criam antimatéria quebrando prótons juntos no Large Hadron Collider (LHC), o maior e mais poderoso acelerador particular do mundo. Quanto mais energia o LHC produz, mais massivas são as partículas - e antipartículas - formadas durante a colisão.

É nos escombros dessas colisões que cientistas como Ivan Polyakov, pós-doutorado no grupo HEP de Syracuse, procuram ingredientes para partículas.

"Não vemos antimatéria em nosso mundo, então temos que produzi-la artificialmente", diz ele. "Os dados dessas colisões nos permitem mapear a deterioração e a transformação de partículas instáveis ​​em subprodutos mais estáveis."

A HEP é famosa por sua pesquisa pioneira sobre quarks - partículas elementares que são os blocos de construção da matéria. Existem seis tipos de quarks, mas os cientistas geralmente falam sobre eles em pares: up / down, charme / estranho e top / bottom. Cada par tem uma carga eletrônica de massa e fracional correspondente.

Além do quark de beleza (o "b" em "LHCb"), a HEP está interessada no quark encantado. Apesar de sua massa relativamente alta, um quark encantado vive uma existência fugaz antes de decair em algo mais estável.

Recentemente, a HEP estudou duas versões da mesma partícula. Uma versão continha um quark encantado e uma versão antimatéria de um quark up, chamado de quark anti-up. A outra versão tinha um quark anti-charme e um quark up.

Usando dados do LHC, eles identificaram as duas versões da partícula, bem como as dezenas de milhões, e contaram o número de vezes que cada partícula decaiu em novos subprodutos.

"A proporção dos dois resultados possíveis deve ter sido idêntica para ambos os conjuntos de partículas, mas descobrimos que as proporções diferiam em cerca de um décimo de um por cento", diz Stone. "Isso prova que as partículas encantadas e partículas de antimatéria não são totalmente intercambiáveis."

Acrescenta Polyakov, "As partículas podem parecer as mesmas do lado de fora, mas se comportam de maneira diferente por dentro. Esse é o enigma da antimatéria."

A ideia de que matéria e antimatéria se comportam de maneira diferente não é nova. Estudos anteriores de partículas com quarks e quarks inferiores confirmaram-se como tal.

O que torna este estudo único, conclui Stone, é que é a primeira vez que alguém testemunhou partículas com quarks encantados sendo assimétricas: "É um dos livros de história".

O trabalho da HEP é apoiado pela National Science Foundation.

Fonte:

www.sciencedaily.com/releases/2019/03/190321130309.htm

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