Detecção de um decaimento raro em CMS

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Leandro Pinhal Oliveira
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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.

1 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 com uma significância de 4.3σ [1], consistente com a previsão do Modelo Padrão de 3.6± A significância corresponde aproximadamente a uma probabilidade de 1 em [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

2 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 - B 0 (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 B 0 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 B 0 é ainda menor.

3 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 B 0 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 , em que a incerteza reflecte efeitos estatísticos e

4 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± , 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 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.

5 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: 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 A construção do detector gigantesco (com 15 m de diâmetro, 29 m de comprimento e um peso de 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] 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.

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