Detecção  de  um  decaimento  raro  em  CMS    

Colaboração  CMS,  CERN  19  Julho  2013  

   CMS   detectou   um   importante   e   raro   decaimento   previsto   pelo  Modelo   Padrão   da  física   de   partículas.   A  medida   do   decaimento   de  mesões   Bs   (pronunciado   bê-­‐sub-­‐esse)  em  pares  de  muões,   será  anunciada  hoje  na  conferência  bienal  da  Sociedade  Europeia  de  Física,  EPS-­‐HEP,  em  Estocolmo,  Suécia,  e  chega  depois  de  uma  espera  de  cerca  de  25  anos.    Por  cada  mil  milhões  de  mesões  Bs  produzidos,  espera-­‐se  que  apenas  três  decaiam  em  dois  muões,  primos  mais  pesados  do  electrão.  Estes  decaimentos  são  processos  ideais  para  procurar   sinais  de  nova   física;   encontrar  uma  diferença   em   relação   às  previsões  precisas  do  Modelo  Padrão  (SM,    “Standard  Model”)  indicaria  a  presença  de  nova  física,  para  além  do  Modelo  Padrão.    CMS   observa   uma   taxa   de   decaimento   de   3.0+1.0-­‐0.9×10-­‐9   com  uma   significância   de  4.3σ   [1],   consistente   com   a   previsão   do   Modelo   Padrão   de   3.6±0.3×10-­‐9.   A  significância  corresponde  aproximadamente  a  uma  probabilidade  de  1  em  100’000  [1]   que   a   observação   compatível   com   o   sinal   seja   falsificada   por   flutuações  aleatórias  de  outros  processos  físicos.    

 Imagem  1:  Um  evento  candidato  a  Bs  →  μμ  detectado  em  CMS  durante  2012  e  

produzido  em  colisões  entre  protões  at  8  TeV.    À  procura  de  algo  novo    Não   obstante   o   sucesso   do   Modelo   Padrão   da   física   de   partículas   ao   longo   de  décadas,   obtido   através   de   múltiplas   previsões   que   foram   verificadas  experimentalmente,   sabemos   que   não   pode   ser   uma   teoria   completa:   não   oferece  

uma   explicação   para   a   evidência   cosmológica   da   matéria   escura,   nem   explica   o  domínio  da  matéria  sobre  a  antimatéria  no  universo.  Se  a  nova  física  estiver  ao  seu  alcance,  o  LHC   irá  revelá-­‐la,  e  CMS  tem  procurado  sistematicamente   indicações  de  várias  extensões  propostas  para  o  Modelo  Padrão.    O   decaimento   de  mesões   B   (compostos   de   um   quark   “bottom”   e   um   outro   quark  mais  leve)  em  dois  muões  (μ)  é  um  canal  ideal  para  procurar  evidência  indireta  de  nova  física.  Os  decaimentos  de  dois  tipos  de  mesões  B  -­‐  B0  (composto  de  um  quark  “bottom”   e   um  quark   “down”)   e  Bs   (composto   de   um  quark   “bottom”   e   um  quark  “strange”)   -­‐   em   pares   de  muões   são  muito   suprimidos   no   SM.   No   entanto,   várias  extensões   do   Modelo   Padrão   preveem   um   desvio   significativo   das   taxas   de  decaimento  em  ambos  os  sentidos  (aumento  ou  maior  supressão).  Se  a  medida  da  taxa  de  decaimento  de  um  destes  mesões  B  for  incompatível  com  a  previsão  do  SM,  teremos   um   sinal   de   nova   física   em   acção.   Durante   quase   25   anos,   várias  experiências  em  diversos  aceleradores  de  partículas  procuraram  estes  decaimentos  raros.   Os   limites   superiores   na   taxa   de   decaimento   estabelecidos  experimentalmente  melhoraram  quatro  ordens  de  grandeza  ao  longo  do  tempo,  com  a   sensibilidade   das   experiências   a   aproximar-­‐se,   recentemente,   dos   valores  previstos  pelo  SM.  No  caso  do  decaimento  Bs  →  μμ,  LHCb  mostrou  em  Novembro  de  2012  a  primeira  evidência  experimental  da  sua  existência  com  uma  significância  de  3.5σ.    

 Imagem  2:  Cronologia  da  evolução  da  sensibilidade  da  pesquisas  pelo  decaimento  de  mesões  Bs  e  B0  em  di-­‐muões,  onde  se  pode  ver  um  melhoramento  de  quatro  ordens  de  

grandeza  na  sensibilidade  das  experiências  passadas  e  presentes.  .  Agulhas  num  palheiro    A   pesquisa   experimental   de   processos   raros   tem   por   objectivo   revelar   uma   mão  cheia  de  eventos  de  sinal  entre  um  grande  número  de  outros  eventos:  no  SM  espera-­‐se  que  apenas  três  em  cada  mil  milhões  de  mesões  Bs  decaiam  em  dois  muões,  sendo  que  taxa  de  decaimento  esperada  para  o  mesão  B0  é  ainda  menor.  

 O   primeiro   obstáculo  para   encontrar   estes   decaimentos   raros   é   a   identificação  de  potenciais   candidatos   produzidos   nas   colisões   entre   protões   que   têm   lugar   no  centro  do  detector  CMS.  A  cada  segundo,  CMS  selecciona  cerca  de  400  das  colisões  mais  promissoras,  entre  as  quais  cerca  de  10  são  selecionadas  especificamente  para  as  pesquisas  de  B  →  μμ.  Subsequentemente,  estes  acontecimentos  são  classificados  de  acordo  com  as  propriedades  dos  dois  muões  de  forma  a  rejeitar  o  maior  número  possível  de  eventos  que  não  são  sinal,   tentando  manter  ao  mesmo  tempo,  o  maior  número  possível  de  eventos  de  sinal.    Para   além   de   procurar   os   dois   muões   produzidos   a   partir   dos   decaimentos   de  mesões   B,   CMS   necessita   também  de   determinar   precisamente   o   número   total   de  mesões   B   produzidos.   Tal   medida   é   feita   utilizando   os   já   conhecidos   e   mais  abundantes  decaimentos  de  mesões  B0.    Terra  (conhecida)  à  vista    

 Imagem  3:  Distribuição  de  mass  de  di-­‐muões.  As  curvas  a  violeta  e  vermelho  mostram  

os  sinais  de  B0  e  Bs,  respectivamente.  Três  tipos  diferentes  de  processos  não  relacionados  com  os  sinais  são  representados  pelas  linhas  a  ponteado.  A  linha  azul  representa  a  soma  de  todas  as  contribuições  consideradas  no  ajuste  aos  dados.  

 Para  a  presente  medida  foram  utilizados  dados  tomados  por  CMS  em  2011  e  2012,  correspondentes   a   amostras   de   4.9   fb-­‐1   e   20.4   fb-­‐1   (fentobarn   inverso   [2]),  respectivamente.  A  distribuição  de  massa  dos  di-­‐muões  revela  um  excesso  de  Bs  →  μμ  acima  da  expectativa  de  acontecimentos  de  fundo,  correspondendo  a  uma  taxa  de  decaimento   de   3.0+1.0-­‐0.9×10-­‐9,   em   que   a   incerteza   reflecte   efeitos   estatísticos   e  

sistemáticos.   Esta  medida   tem  um   significado  de   4.3σ.  Um  artigo   que   apresenta   o  resultado  foi  submetido  para  publicação  na  revista  Physical  Review  Letters.    Esta  medida  de  Bs  →  μμ  em  CMS  é  consistente  com  a  previsão  do  SM  de  3.6±0.3×10-­‐9,  continuando  assim  a   longa  série  de  observações  experimentais  compatíveis  com  o    SM.  A   taxa   de   decaimento  B0  →  μμ   também  é  medida;   sem   evidência   significativa  para  este  decaimento,  CMS  estabelece  um  limite  superior  de  1.1  ×10-­‐9  a  um  nível  de  confiança  de  95%  [3],  também  em  acordo  com  a  previsão  do  SM.    

 Imagem  4:  Contornos  bidimensionais  que  mostram  a  significância  das  medidas  para  Bs  

→  μμ  e  B0  →  μμ.  Os  dois  gráficos  mais  pequenos  mostram  as  projecções  unidimensionais  onde  o  mínimo  da  curvas  revela  os  valores  mais  prováveis  e  a  

significância  das  medidas  se  encontra  a  azul.    Próximos  passos    A   emoção   desta   fantástica   medida   experimental   traz   consigo   uma   ponta   de  desilusão   para   aqueles   que   procuram   nova   física.   Grande   parte   do   interesse   no  estudo  do  decaimento  Bs  →  μμ  reside  no  seu  potencial  para  revelar  as  imperfeições  do  Modelo  Padrão.  No  entanto,  a  história  está  longe  de  terminar.  Com  a  continuação  do   programa   de   física   do   LHC,  mais   colisões   estarão   disponíveis   para   análise,   e   a  precisão   com   que   CMS   e   outras   experiências   poderão   medir   estes   e   outros  decaimentos  raros  poderá  apenas  melhorar.  Maior  precisão  será  útil  para  limitar  as  possibilidades   de   nova   física   e   poderá   apontar   o   caminho   futuro   para   a   física   de  altas  energias.  Por  exemplo,  o  recomeço  do  LHC  em  2015  colocará  a  sensibilidade  de  CMS  ao  nível  de  poder  medir  a   taxa  de  decaimento  de  B0  →  μμ  conforme  prevista  pelo  SM.    

Observar  este  decaimento  raro  do  mesão  Bs  representa  um  marco  importante  em  25  anos  de  uma  longa  viagem,  deixando  à  nossa  frente  muito  território  por  explorar  no  mundo  da  física  de  partículas.    Acerca  de  CMS    Mais   informações   sobre   a   experiência   CMS   podem   ser   obtidas   a   partir   da   página  oficial:   http://cern.ch/cms   ou   contactando   cms.outreach@cern.ch.   A   experiência  CMS   é   uma   das   duas   experiências   de   âmbito   geral   construídas   no   LHC   com   o  objectivo  de  procurar  sinais  de  nova  física.  Foi  concebida  para  detectar  uma  grande  espectro   de   partículas   e   fenómenos   produzidos   pelas   colisões   a   alta   energia   de  protões   e   de   iões   pesados   do   LHC   e   para   procurar   a   resposta   a   questões  fundamentais  como  “O  que  constitui  o  Universo  e  que   forças  /   interacções  actuam  nele?”  e   “O  que  origina  a  massa  dos  constituintes   fundamentais  da  matéria?”.  CMS  medirá   igualmente  as  propriedades   fundamentais  de  partículas   já   conhecidas  com  uma   precisão   inigualável   ao   mesmo   tempo   que   pesquisará   fenómenos   novos   e  imprevistos.   Este   tipo   de   pesquisa   fundamental   contribui,   tal   como   sucedeu  inúmeras  vezes  no  passado,  para  um  melhor  conhecimento  sobre  o  funcionamento  do  Universo  e   também  para  o  desenvolvimento  de  tecnologias   inovadoras  capazes  de  transformar  o  nosso  mundo.  A   ideia   original   da   experiência   CMS   data   de   1992.   A   construção   do   detector  gigantesco   (com   15    m   de   diâmetro,   29  m   de   comprimento   e   um   peso   de   14000  toneladas)   levou   16   anos   e   para   ela   contribuíram   o   esforço   de   uma   das   maiores  colaborações   científicas   internacionais   jamais   formadas:   mais   de   3275   cientistas  (incluindo  1535   estudantes)   e   790   engenheiros  de  179   instituições   e   laboratórios  distribuídos  por  41  países  em  todo  o  mundo.      Notas  de  rodapé    [1]  O  desvio  padrão  mede  a  dispersão  de  um  conjunto  de  medidas  em  torno  do  valor  medio.  É   normalmente   usado   como  medida   do   nível   de   concordância   de   uma   amostra   de   dados  com  determinada  hipótese.  Os  físicos  medem  a  quantidade  de  desvios  padrão  em  unidades  que   designam   de   “sigma”.   Quanto   mais   elevado   é   o   número   de   sigma   menor   é   a  compatibilidade   dos   dados   com   a   hipótese   assumida   como   verdadeira.   Em   geral,   quanto  mais  inesperada  é  uma  descoberta,  maior  é  o  número  de  sigma  requerido  pelos  físicos  para  ficarem  convencidos  da  sua  veracidade.    [2]  http://news.stanford.edu/news/2004/july21/femtobarn-­‐721.html    [3]  Nível  de  confiança  é  uma  medida  estatística  da  percentagem  dos  resultados  de  um  teste  que   se   podem   esperar   encontrar   num   determinado   intervalo.   Por   exemplo,   um   nível   de  confiança  de  95%  é  atribuído  a  uma  acção  que  resultará  nas  expectativas  em  95%  dos  casos.