LHCb encontra indícios de um raro decaimento de mesão B após 42 anos de investigação

Um sinal fugaz entre milhares de milhões de decaimentos de partículas

A experiência LHCb do CERN anunciou os primeiros indícios, obtidos por uma única experiência, de um decaimento excecionalmente raro de um mesão B neutro em dois muões, com base em dados de colisões recolhidos em 2024 e 2025. Combinado com medições anteriores, o sinal atinge uma significância estatística de 3,2 desvios-padrão, suficiente para ser considerado um indício, mas aquém do limiar que os físicos exigem para uma observação.

O resultado, anunciado na comunicação de 3 de novembro da colaboração LHCb, em 2026, dá novo impulso a uma investigação iniciada em 1984. O decaimento escreve-se B0 → μ+μ−, também designado Bd → μ+μ−. Transforma uma partícula que contém um quark bottom ou um antiquark bottom num muão e na sua antipartícula.

O Modelo Padrão, a teoria que descreve as partículas elementares conhecidas e as suas interações, prevê aproximadamente um decaimento deste tipo por cada 10 mil milhões de decaimentos de mesões B0. Esta raridade extraordinária torna o processo útil: uma partícula ainda desconhecida poderia alterar a sua probabilidade o suficiente para ser detetada por uma experiência de precisão.

A LHCb anunciou também as suas medições mais precisas da probabilidade e do tempo de vida efetivo de um decaimento relacionado, Bs0 → μ+μ−. Ambos os conjuntos de resultados estão de acordo com o Modelo Padrão. Em conjunto, dão aos investigadores uma forma mais precisa de testar teorias que propõem partículas para além das já conhecidas.

O que desaparece, exatamente?

Os mesões B têm vida curta e são constituídos por um quark e um antiquark. Os mesões B0 e Bs0 pertencem à mesma família, mas diferem nos seus quarks mais leves: um envolve o tipo down e o outro o tipo strange. A sua composição diferente altera a frequência com que podem produzir um par de muões.

Um muão é uma partícula elementar semelhante a um eletrão, mas mais pesada. Os dois muões nestes decaimentos têm cargas elétricas opostas. Os investigadores procuram os seus rastos e usam as propriedades medidas para reconstruir a massa da partícula que os produziu.

O Modelo Padrão prevê cerca de três decaimentos Bs0 por cada mil milhões de decaimentos, aproximadamente 30 vezes mais do que no processo B0. Estas probabilidades, designadas frações de ramificação, indicam a proporção de mesões de um determinado tipo que segue uma dada via de decaimento. A maioria dos mesões B desaparece por outras vias, deixando o sinal procurado oculto entre um número muito maior de partículas.

Porque é considerado um indício

A LHCb encontrou uma significância de três desvios-padrão usando apenas a amostra de 2024 e 2025. A combinação com os dados dos períodos de funcionamento anteriores do Grande Colisionador de Hadrões, as Run 1 e Run 2, elevou esse valor para 3,2.

A significância estatística mede até que ponto os dados favorecem um sinal em relação a uma explicação baseada apenas no ruído de fundo. Quanto maior o valor, menor a probabilidade de uma flutuação aleatória no ruído de fundo produzir um resultado pelo menos tão marcante. Os físicos de partículas usam habitualmente três desvios-padrão como limiar para considerar um resultado um indício e cinco para o considerar uma observação.

A descrição da colaboração é deliberadamente precisa: trata-se dos primeiros indícios de B0 → μ+μ− obtidos por uma única experiência. Uma análise conjunta da LHCb e da CMS já tinha anunciado indícios em 2015, mas análises posteriores não confirmaram essa indicação inicial.

A nova medição volta a colocar a investigação acima do limiar dos indícios, com um conjunto de dados recente. O próximo objetivo estatístico são cinco desvios-padrão. A LHCb não indicou uma data para o atingir.

Uma investigação que se estende de 1984 a 2026

Os investigadores têm estudado estes decaimentos raros ao longo de várias gerações de experiências. O processo Bs0, mais frequente, atingiu primeiro o limiar de observação, criando uma base para a investigação mais difícil do B0.

• 1984: Começou a investigação de B0 → μ+μ−.
• Novembro de 2012: A LHCb anunciou indícios de Bs0 → μ+μ− com 3,5 desvios-padrão.
• Maio de 2015: Uma análise conjunta da LHCb e da CMS observou o decaimento Bs0 com 6,2 desvios-padrão e anunciou uma indicação inicial do decaimento B0.
• Fevereiro de 2017: A LHCb observou, sozinha, o decaimento Bs0 com 7,8 desvios-padrão.
• Análises posteriores, com dados recolhidos até 2018, não confirmaram a indicação anterior do decaimento B0.
• 2024 e 2025: A LHCb recolheu os novos dados utilizados na análise mais recente.
• 3 de novembro de 2026: A LHCb anunciou indícios do decaimento B0, com três desvios-padrão na nova amostra e 3,2 quando combinada com os períodos anteriores.

Esta história explica por que razão os investigadores distinguem cuidadosamente entre indícios e observação. Um sinal promissor precisa de mais dados, e medições posteriores podem reforçá-lo ou fazê-lo descer abaixo do limiar aceite.

Como o detetor encontra os pares de muões

O detetor atualizado da LHCb recolhe dados a uma taxa cerca de cinco vezes superior à alcançada entre 2010 e 2018. Para um processo que se prevê ocorrer apenas uma vez por cada 10 mil milhões de decaimentos B0, é essencial registar mais colisões utilizáveis.

O Localizador de Vértices, conhecido como VELO, ajuda a identificar onde as partículas foram criadas e onde decaíram. Montado pela Universidade de Liverpool, o detetor funciona a apenas cinco milímetros do feixe do LHC. A sua capacidade de rastreio precisa permite aos investigadores localizar os pontos de decaimento de partículas que sobrevivem apenas durante uma ínfima fração de segundo.

A aprendizagem automática ajuda a separar os pares de muões promissores do ruído de fundo, constituído pelos muitos outros processos que produzem rastos ou combinações de partículas semelhantes. Os investigadores analisam depois a massa invariante de cada par, uma grandeza calculada a partir das energias e dos momentos dos muões que permite identificar a massa da partícula-mãe.

A distribuição de massas apresenta uma contribuição visível dos decaimentos Bs0 e uma contribuição menor, correspondente à massa inferior do B0. A LHCb ajusta estes sinais em conjunto com o ruído de fundo para estimar quantos decaimentos de cada tipo estão presentes.

A produção de B0 oferece uma vantagem útil. Segundo a LHCb, o colisionador produz cerca de quatro mesões B0 por cada mesão Bs0. Embora um B0 tenha uma probabilidade cerca de 30 vezes menor de decair em dois muões, a sua maior abundância reduz a diferença esperada no número de eventos para aproximadamente um fator de sete. Esta comparação ajuda a perceber como o processo mais raro se torna acessível com um conjunto de dados suficientemente grande.

O que o resultado revela sobre partículas desconhecidas

O Modelo Padrão apresenta previsões precisas para as probabilidades de ambos os decaimentos. Teorias que o prolongam podem alterar essas previsões ao introduzir partículas que afetam o processo, mesmo que essas partículas não sejam produzidas diretamente como objetos visíveis no detetor.

A LHCb aponta como exemplos bosões de Higgs adicionais, bosões vetoriais Z′ e leptoquarks. São partículas propostas em diferentes extensões da teoria. A sua possível influência faz dos decaimentos raros uma forma de procurar indiretamente fenómenos físicos a energias que ultrapassam o alcance direto de uma dada experiência de colisão.

A colaboração LHCb, responsável pela experiência e pela análise, descreveu assim as medições mais recentes:

Os resultados anunciados hoje, em concordância com o Modelo Padrão, delimitam com ainda maior precisão a região de parâmetros em que estes novos modelos podem existir

Na prática, isto restringe as combinações de massas das partículas propostas e de intensidades de interação que continuam a ser compatíveis com as experiências. Na análise conjunta da LHCb das duas frações de ramificação, a previsão do Modelo Padrão situa-se dentro da região de confiança de 68,27%, um intervalo que expressa a incerteza da medição.

Porque medir o tempo de vida acrescenta outro teste

A LHCb mediu também o tempo de vida efetivo dos mesões Bs0 que decaem em pares de muões. Combinando dados das Run 1, Run 2 e Run 3, obteve 1,60 ± 0,16 ± 0,01 picossegundos, em concordância com a previsão do Modelo Padrão.

Um picossegundo corresponde a um bilionésimo de segundo. A primeira incerteza descreve os limites estatísticos da medição; a segunda abrange os efeitos sistemáticos associados à forma como a medição é feita. A incerteza estatística é muito maior, o que mostra por que razão dados adicionais podem ser valiosos.

O tempo de vida efetivo descreve o momento do decaimento na amostra selecionada de Bs0. Algumas extensões propostas do Modelo Padrão podem deixar praticamente inalterada a probabilidade total de produção de dois muões, alterando, contudo, a forma como esses decaimentos se distribuem ao longo do tempo. Medir tanto a frequência como o tempo permite, por isso, testar mais possibilidades do que contar apenas os decaimentos.

A razão entre as frações de ramificação de B0 e Bs0 proporciona outra comparação. Uma teoria proposta tem de explicar a relação entre os dois processos, além das suas taxas individuais. Os resultados mais recentes da LHCb reúnem estas verificações distintas numa única análise.

O que se segue na investigação das escalas mais pequenas

A LHCb submeteu os novos resultados para publicação e apresentou-os num seminário do CERN que deu início a um workshop entre a colaboração e físicos teóricos. O objetivo experimental imediato é recolher dados adicionais suficientes para aproximar o sinal B0 do limiar de observação e medir a sua probabilidade com maior precisão.

Segundo a colaboração, uma nova atualização da LHCb a meio da próxima década poderá aumentar a taxa de recolha de dados em mais uma ordem de grandeza, ou seja, cerca de dez vezes. Isso permitiria realizar testes mais exigentes com ambos os decaimentos raros.

O termo Zeptoverse descreve as distâncias extremamente pequenas que os investigadores esperam explorar através destas medições de precisão. Um zeptómetro corresponde a um milésimo de um bilionésimo de um bilionésimo de metro. Os decaimentos raros oferecem uma via indireta para investigar efeitos associados a distâncias muito pequenas e a energias elevadas.

A matéria escura e a origem do excesso de matéria sobre antimatéria no universo continuam a ser motivações mais amplas para procurar fenómenos para além do Modelo Padrão. A descoberta aqui anunciada é mais específica e concreta: um decaimento raro previsto pela teoria existente atingiu o limiar dos indícios, enquanto o seu comportamento medido permite aos investigadores impor limites mais rigorosos às alternativas propostas.

Principais pontos

• A LHCb anunciou os primeiros indícios, obtidos por uma única experiência, de B0 → μ+μ−, após uma investigação iniciada em 1984.
• Os dados de 2024 e 2025 atingem três desvios-padrão; a combinação com períodos anteriores eleva a significância para 3,2.
• O Modelo Padrão prevê aproximadamente um decaimento deste tipo por cada 10 mil milhões de decaimentos B0.
• As novas medições dos decaimentos estão de acordo com o Modelo Padrão e restringem as possibilidades de existência de partículas adicionais.
• A LHCb mediu o tempo de vida efetivo do decaimento relacionado Bs0 em 1,60 ± 0,16 ± 0,01 picossegundos.
• O objetivo para considerar o decaimento B0 uma observação continua a ser atingir cinco desvios-padrão.