Descobertas recentes de pesquisas no Grande Colisor de Hádrons (LHC) no Cern, em Genebra, sugerem que podemos estar nos aproximando de sinais de física não descoberta. Se confirmados, esses indícios derrubariam o Modelo Padrão – a teoria que domina a física de partículas há 50 anos. As descobertas indicam que a forma como partículas subatômicas específicas se comportam no LHC discorda do Modelo Padrão.

Partículas fundamentais são os blocos de construção mais básicos da matéria – partículas subatômicas que não podem ser divididas em unidades menores. As quatro forças fundamentais – gravidade, eletromagnetismo, força fraca e força forte – governam como essas partículas interagem. O LHC é um gigantesco acelerador de partículas construído em um túnel circular de 27 km sob a fronteira franco-suíça. Seu principal objetivo é encontrar rachaduras no Modelo Padrão, que é nossa melhor compreensão das partículas e forças fundamentais, mas não explica a gravidade ou a matéria escura – o tipo invisível e não medido de matéria que compõe aproximadamente 25% do universo.

No LHC, feixes de prótons viajando em direções opostas colidem, na tentativa de revelar indícios de física não descoberta. Os novos resultados vêm do LHCb, um experimento no Grande Colisor de Hádrons onde essas colisões são analisadas. O resultado vem do estudo do decaimento – um tipo de transformação – de partículas subatômicas chamadas mésons B. Investigamos como esses mésons B decaem em outras partículas, descobrindo que a maneira particular como isso acontece discorda das previsões do Modelo Padrão.

O Modelo Padrão é construído sobre dois dos avanços mais transformadores da física do século XX: a mecânica quântica e a relatividade especial de Einstein. Os físicos podem comparar medições feitas em instalações como o LHC com previsões baseadas no Modelo Padrão para testar rigorosamente a teoria. Apesar de sabermos que o Modelo Padrão é incompleto, em mais de 50 anos de testes cada vez mais rigorosos, os físicos de partículas ainda não encontraram uma rachadura na teoria – isto é, potencialmente, até agora.

Nossa medição, aceita para publicação na Physical Review Letters, mostra uma tensão de quatro desvios padrão em relação às expectativas do Modelo Padrão. Em termos do mundo real, isso significa que, após considerar as incertezas dos resultados experimentais e das previsões teóricas, há apenas uma chance em 16.000 de que uma flutuação aleatória nos dados tão extrema ocorresse se o Modelo Padrão estivesse correto. Embora isso fique aquém do padrão ouro da ciência – o chamado cinco sigma, ou cinco desvios padrão (cerca de uma chance em 1,7 milhão) – as evidências estão começando a se acumular.

Somando-se a essa narrativa convincente estão os resultados de um experimento independente do LHC, o CMS, publicados no início de 2025. Embora os resultados do CMS não sejam tão precisos quanto os do LHCb, eles concordam bem, fortalecendo o caso. Nossos novos resultados foram encontrados em um estudo de um tipo particular de processo, conhecido como decaimento pinguim eletrofraca. O termo “pinguim” refere-se a um tipo específico de decaimento (transformação) de partículas de vida curta. Neste caso, estudamos como o méson B decai em quatro outras partículas subatômicas – um kaon, um pion e dois múons. Com um pouco de imaginação, pode-se visualizar o arranjo das partículas envolvidas como se parecendo com um pinguim. Crucialmente, medições desse decaimento nos permitem estudar como um tipo de partícula fundamental, um quark beleza, pode se transformar em outro, o quark estranho.

Esse decaimento pinguim é incrivelmente raro no Modelo Padrão: para cada milhão de mésons B, apenas um decairá dessa maneira. Analisamos cuidadosamente os ângulos e energias nos quais essas partículas são produzidas no decaimento e determinamos precisamente com que frequência o processo ocorre. Descobrimos que nossas medições dessas quantidades discordam das previsões do Modelo Padrão.

Investigações precisas de decaimentos como este são um dos principais objetivos do experimento LHCb, e têm sido desde