Mais fundo que os quarks: LHC analisou a estrutura da matéria em escalas extremas e não encontrou camadas internas.

Experimento no Grande Colisor de Hádrons confirma o Modelo Padrão e aperta os limites para composicionalidade dos quarks, dimensões extras e buracos negros quânticos

Uma equipa internacional de cientistas da colaboração CMS no Grande Colisor de Hádrons (LHC) realizou a análise mais precisa até hoje das distribuições angulares de dijetos - pares de jatos de partículas produzidos em colisões de protões. As medições bateram com as previsões do Modelo Padrão da física de partículas e, ao mesmo tempo, estabeleceram novas restrições para fenómenos exóticos, incluindo composicionalidade dos quarks, dimensões extras e buracos negros quânticos.

Os quarks são partículas fundamentais que, de acordo com o entendimento atual, não apresentam estrutura interna. Eles funcionam como “blocos de construção” de protões e neutrões, que formam o núcleo atómico. Ainda assim, a história da ciência mostra que entidades consideradas elementares muitas vezes se revelaram sistemas mais complexos. Os átomos, por exemplo, foram propostos como “partículas indivisíveis da matéria”, mas depois descobriu-se que são formados por núcleo e eletrões. A pesquisa no LHC segue essa mesma linha, testando se os quarks poderiam ser compostos por constituintes ainda mais pequenos.

CMS no LHC e as distribuições angulares de dijetos (χ_dijet)

No detetor CMS (Compact Muon Solenoid), dois feixes de protões foram colididos com energia de 13 TeV. Nessas colisões, os protões fragmentam-se nos seus constituintes - quarks e glúons - que se dispersam e formam jatos (jets), feixes estreitos de partículas. Os investigadores mediram os ângulos entre esses jatos e estudaram como eles se distribuem usando a variável χ_dijet, sensível a desvios em relação ao que o Modelo Padrão prevê. Até recentemente, não se dispunha de cálculos com esse nível de precisão para processos desse tipo, o que limitava a realização de testes tão rigorosos do Modelo Padrão.

Em vez de apenas procurar novas partículas diretamente, os cientistas aplicaram a abordagem SMEFT (Effective Field Theory). Com ela, é possível procurar “impressões digitais de nova física” mesmo quando as próprias partículas são tão pesadas que não podem ser produzidas no colisor. Na prática, os físicos verificaram se partículas já conhecidas (como os glúons) poderiam comportar-se de forma “incomum devido à influência de algo oculto”.

O que os dados do segundo período de operação do LHC mostraram

Os dados recolhidos durante o segundo período de funcionamento do LHC indicaram que, no geral, as distribuições angulares de dijetos estão de acordo com as previsões da cromodinâmica quântica (QCD) - a teoria que descreve as interações entre quarks e glúons. Contudo, observaram-se pequenas discrepâncias na faixa de massas invariantes de dijetos de 2,4 a 4,8 TeV e acima de 6 TeV. Esses desvios podem ser flutuações estatísticas, mas também podem ser um sinal de física para além do Modelo Padrão.

O estudo estabeleceu, até ao momento, os limites mais restritivos para vários cenários exóticos:

• Composicionalidade dos quarks. Se os quarks forem formados por partículas mais fundamentais, as interações associadas deveriam manifestar-se em determinadas energias. O experimento excluiu tais interações até escalas de 17–37 TeV.
• Buracos negros quânticos. Esses objetos hipotéticos, previstos por teorias com dimensões extras, foram excluídos para massas abaixo de 8,5 TeV.
• Dimensões extras. A troca virtual de grávitons, prevista em modelos com dimensões adicionais, foi excluída até 13,4 TeV.
• Partículas tipo áxion e acoplamentos anómalos. Foram restringidos os parâmetros de partículas tipo áxion e das interações tríplice-glúon.

No conjunto, os resultados reforçam a robustez do Modelo Padrão em energias que ultrapassam 13 TeV e fornecem dados de alta precisão para calibrar modelos teóricos. O trabalho também consolida o enorme volume de informações obtidas no segundo período de operação do LHC e prepara o terreno para medições futuras com luminosidade aumentada (High-Luminosity LHC).

A análise impõe os limites mais severos do mundo para a existência de exotismos, na prática reduzindo o espaço para muitas teorias arrojadas que previam “nova física” logo acima do limiar das energias atuais. Experimentos futuros deverão permitir medições ainda mais precisas das distribuições angulares e dar continuidade à busca por indícios de nova física.