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Exibição de um evento candidato à produção de dois bósons W+ via espalhamento vetor-bóson, seguido por seu decaimento em dois múons e dois neutrinos de múons. Os múons são representados pelas linhas vermelhas no detector interno e no espectrômetro de múons, e os dois jatos pelos cones amarelos. A direção da energia transversal ausente associada aos dois neutrinos é indicada pela linha cinza tracejada. (Crédito: ATLAS/CERN)
A detecção da produção de bósons W polarizados longitudinalmente no Grande Colisor de Hádrons é um passo importante para a compreensão de como a simetria eletrofraca primordial foi quebrada, dando origem às massas de partículas elementares.
A descoberta do bóson de Higgs pelas colaborações ATLAS e CMS no CERN em 2012 abriu uma nova janela para o funcionamento mais interno do Universo. Revelou a existência de um campo misterioso e antigo com o qual partículas elementares interagem para adquirir suas massas tão importantes. Esse processo é governado por um mecanismo delicado chamado quebra de simetria eletrofraca, proposto pela primeira vez em 1964, mas que permanece entre os fenômenos menos compreendidos do Modelo Padrão da física de partículas. Para investigar esse mecanismo crítico na evolução do Universo, os físicos precisam de um conjunto de dados muito grande de colisões de partículas de alta energia.
Na semana passada, na conferência Rencontres de Moriond , a colaboração ATLAS aproximou os físicos da compreensão da natureza do mecanismo de quebra de simetria eletrofraca. Utilizando o conjunto completo de dados de colisões próton-próton da Execução 2 do LHC, coletados a uma energia de 13 TeV entre 2015 e 2018, a equipe apresentou a primeira evidência de um processo-chave envolvendo o bóson W – um dos mediadores da força fraca.
No Modelo Padrão da física de partículas, as interações eletromagnética e fraca são dois lados da mesma moeda, unificados como a interação eletrofraca. Acredita-se que a interação eletrofraca prevaleceu imediatamente após o Big Bang, quando o Universo era extremamente quente. Mas a simetria entre as duas interações foi de alguma forma quebrada, uma vez que os portadores da interação fraca, os bósons W e Z, são observados como massivos, enquanto o fóton, que medeia a interação eletromagnética, não tem massa. A quebra dessa simetria é realizada no Modelo Padrão através do mecanismo de Brout-Englert-Higgs (BEH). A descoberta do bóson de Higgs forneceu a primeira confirmação experimental desse mecanismo. O próximo passo é medir as propriedades da nova partícula, em particular a intensidade com que ela interage com outras partículas elementares. Essas medições estão atualmente em andamento, com o objetivo de confirmar que as massas das partículas de matéria elementar também são o resultado de sua interação com o campo BEH.
Mas o mecanismo BEH também faz outras previsões. Dois processos em particular precisam ser medidos para confirmar que o mecanismo é de fato como o Modelo Padrão prevê: a interação entre bósons W ou Z polarizados longitudinalmente e a interação do bóson de Higgs consigo mesmo. Embora se espere que estudos da autointeração do Higgs sejam possíveis o mais cedo possível com o LHC de Alta Luminosidade , que deve começar a operar em 2030 e exigirá que um futuro colisor seja definido em detalhes, os primeiros estudos do espalhamento de bósons de calibre polarizados longitudinalmente devem ser possíveis mais cedo.
Para partículas, a polarização refere-se à maneira como seu spin é orientado no espaço. Partículas polarizadas longitudinalmente têm seu spin perpendicular à direção de seu momento, algo que só é possível para partículas que têm massa. A existência de bósons W e Z polarizados longitudinalmente (W L e Z L ) é uma consequência direta do mecanismo BEH, e a maneira como esses estados interagem entre si é, portanto, um teste muito sensível de como a simetria eletrofraca é quebrada. O estudo dessa interação deve permitir aos físicos dizer se a quebra de simetria é realizada por meio do mecanismo BEH mínimo ou se alguma nova física além do Modelo Padrão está envolvida. O novo resultado do ATLAS fornece um primeiro vislumbre desse processo elusivo.
A interação W L -W L pode ser investigada experimentalmente em colisões próton-próton, estudando um processo chamado espalhamento vetor-bóson (VBS). O processo VBS pode ser visualizado como um quark em cada um dos prótons incidentes emitindo um bóson W e esses dois bósons W interagindo entre si, produzindo um par de bósons W ou Z. O VBS pode ser identificado pela busca de colisões que contenham os produtos de decaimento dos dois bósons juntamente com os dois quarks que participaram da interação, formando dois jatos de partículas em direções opostas.
A nova análise ATLAS visa colisões nas quais os dois bósons W decaem em um elétron ou um múon e seus respectivos neutrinos. Para suprimir os ruídos de fundo, principalmente de processos que envolvem a produção de pares de quarks top, ambos os léptons precisam ter a mesma carga elétrica. A assinatura experimental é, portanto, um par de léptons de mesma carga (elétron-elétron, múon-múon ou elétron-múon), dois "jatos" de partículas com direções opostas produzidos pelos decaimentos dos quarks e a energia ausente proveniente dos neutrinos indetectáveis.
Uma vez selecionados os candidatos para o processo VBS, a polarização dos bósons W precisa ser determinada. Isso é muito desafiador e só pode ser feito por meio de uma análise completa das correlações entre as direções dos elétrons e múons reconstruídos e as propriedades de outras partículas produzidas na interação. Redes neurais dedicadas foram treinadas para distinguir entre polarização transversal e longitudinal, o que possibilitou a extração do resultado final: evidência com significância estatística de 3,3 sigma de que pelo menos um dos dois bósons W estava polarizado longitudinalmente.
“Esta medição é um marco nos estudos do valor da física central por meio de interações de bósons polarizados em processos de espalhamento vetor-bóson”, afirma Yusheng Wu, coordenador do grupo do Modelo Padrão do ATLAS. “Ela marca um caminho para o eventual estudo do espalhamento de bósons polarizados longitudinalmente usando dados do LHC Run-3 e do HL-LHC”.
Leia mais na nota de apoio do ATLAS e no briefing de física .
Fonte: CERN / Por colaboração ATLAS / Publicação 10/04/2025
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Web Science Academy; Hélio R.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos de Economia, Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia Climatologia).
Participou do curso (EAD) de Astrofísica, concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).
>Autor de cinco livros, que estão sendo vendidos nas livrarias Amazon, Book Mundo e outras.
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