LHCb encontra evidências de raro decaimento de méson B após busca de 42 anos

Um sinal fugaz em bilhões de decaimentos de partículas

O experimento LHCb, no CERN, relatou a primeira evidência obtida por um único experimento de um decaimento excepcionalmente raro de um méson B neutro em dois múons, usando dados de colisões coletados em 2024 e 2025. Combinado com medições anteriores, o sinal alcança significância estatística de 3,2 desvios-padrão, suficiente para ser considerado evidência, mas abaixo do limite exigido pelos físicos para uma observação.

O resultado, anunciado na comunicação de 3 de novembro da colaboração LHCb, em 2026, dá novo impulso a uma busca iniciada em 1984. O decaimento é representado como B0 → μ+μ−, também chamado Bd → μ+μ−. Ele transforma uma partícula que contém um quark bottom ou um antiquark bottom em um múon e sua antipartícula.

O Modelo Padrão, teoria que descreve as partículas elementares conhecidas e suas interações, prevê aproximadamente um decaimento desse tipo a cada 10 bilhões de decaimentos de mésons B0. Essa raridade extraordinária torna o processo útil: uma partícula ainda não descoberta poderia alterar sua probabilidade o bastante para ser detectada por um experimento preciso.

O LHCb também informou suas medições mais precisas da probabilidade e do tempo de vida efetivo de um decaimento relacionado, Bs0 → μ+μ−. Os dois conjuntos de resultados estão de acordo com o Modelo Padrão. Juntos, eles oferecem aos pesquisadores uma maneira mais precisa de testar teorias que propõem partículas além das já conhecidas.

O que exatamente está desaparecendo?

Os mésons B têm vida curta e são formados por um quark e um antiquark. B0 e Bs0 pertencem à mesma família, mas diferem em seus quarks mais leves: um contém o tipo down e o outro, o tipo strange. Essa diferença de composição altera a frequência com que podem produzir um par de múons.

Um múon é uma partícula elementar semelhante a um elétron, mas mais pesada. Os dois múons nesses decaimentos têm cargas elétricas opostas. Os pesquisadores procuram seus rastros e usam as propriedades medidas para reconstruir a massa da partícula que os produziu.

O Modelo Padrão prevê cerca de três decaimentos de Bs0 a cada bilhão de decaimentos, aproximadamente 30 vezes mais do que no processo B0. Essas probabilidades, chamadas frações de ramificação, descrevem a parcela de um determinado tipo de méson que segue uma via específica de decaimento. A maioria dos mésons B desaparece por outras vias, e o sinal procurado fica soterrado em meio a números muito maiores de partículas.

Por que isso conta como evidência

Usando apenas a amostra de 2024 e 2025, o LHCb encontrou uma significância de três desvios-padrão. A inclusão de dados dos Runs 1 e 2, períodos anteriores de operação do Grande Colisor de Hádrons, elevou esse valor a 3,2.

A significância estatística mede o quanto os dados favorecem a existência de um sinal em relação a uma explicação baseada apenas no ruído de fundo. Quanto maior o número, menor a probabilidade de uma flutuação aleatória no fundo produzir um resultado tão expressivo ou mais. Os físicos de partículas costumam usar três desvios-padrão como limite para evidência e cinco para uma observação.

A descrição da colaboração é deliberadamente específica: esta é a primeira evidência obtida por um único experimento para B0 → μ+μ−. Uma análise conjunta do LHCb e do CMS já havia relatado evidências em 2015, mas análises posteriores não confirmaram aquela indicação inicial.

A nova medição faz a busca voltar a superar o limite de evidência com um conjunto de dados inédito. O próximo objetivo estatístico é chegar a cinco desvios-padrão. O LHCb não informou quando isso poderá ocorrer.

Uma busca de 1984 a 2026

Pesquisadores investigam esses decaimentos raros há várias gerações de experimentos. O processo Bs0, mais frequente, atingiu primeiro o limite para uma observação, criando uma base para a busca mais difícil pelo B0.

• 1984: Começou a busca por B0 → μ+μ−.
• Novembro de 2012: O LHCb relatou evidências de Bs0 → μ+μ− com 3,5 desvios-padrão.
• Maio de 2015: Uma análise conjunta do LHCb e do CMS observou o decaimento de Bs0 com 6,2 desvios-padrão e relatou uma indicação inicial do decaimento de B0.
• Fevereiro de 2017: O LHCb observou sozinho o decaimento de Bs0 com 7,8 desvios-padrão.
• Análises posteriores, usando dados coletados até 2018, não confirmaram a indicação anterior do decaimento de B0.
• 2024 e 2025: O LHCb coletou os novos dados usados na análise mais recente.
• 3 de novembro de 2026: O LHCb anunciou evidências do decaimento de B0 com três desvios-padrão na nova amostra e 3,2 quando combinada com os períodos anteriores.

Essa trajetória explica por que os pesquisadores distinguem cuidadosamente evidência de observação. Um sinal promissor precisa de mais dados, e medições posteriores podem reforçá-lo ou fazê-lo cair abaixo do limite aceito.

Como o detector encontra os pares de múons

O detector atualizado do LHCb coleta dados a uma taxa cerca de cinco vezes maior do que a alcançada entre 2010 e 2018. Para um processo que se espera ocorrer apenas uma vez a cada 10 bilhões de decaimentos de B0, registrar mais colisões aproveitáveis é essencial.

O Localizador de Vértices, conhecido como VELO, ajuda a identificar onde as partículas foram criadas e onde decaíram. Montado pela Universidade de Liverpool, o detector opera a apenas cinco milímetros do feixe do LHC. Seu rastreamento preciso permite localizar os pontos de decaimento de partículas que sobrevivem por uma fração minúscula de segundo.

O aprendizado de máquina ajuda a separar pares de múons promissores do ruído de fundo, formado por muitos outros processos que produzem rastros ou combinações de partículas semelhantes. Em seguida, os pesquisadores analisam a massa invariante de cada par, uma quantidade calculada a partir das energias e dos momentos dos múons que pode identificar a massa da partícula que os originou.

A distribuição de massa contém uma contribuição visível dos decaimentos de Bs0 e uma contribuição menor na massa mais baixa do B0. O LHCb ajusta esses sinais junto com o ruído de fundo para estimar quantos decaimentos de cada tipo estão presentes.

A produção de B0 oferece uma vantagem útil. Segundo o LHCb, o colisor produz cerca de quatro mésons B0 para cada méson Bs0. Embora a probabilidade de um B0 individual decair em dois múons seja cerca de 30 vezes menor, sua maior abundância reduz a diferença esperada no número de eventos para aproximadamente um fator de sete. Essa comparação ajuda a explicar como o processo mais raro pode ser detectado em um conjunto de dados suficientemente grande.

O que o resultado revela sobre partículas desconhecidas

O Modelo Padrão faz previsões precisas para as probabilidades dos dois decaimentos. Teorias que o ampliam podem alterar essas previsões ao introduzir partículas que afetam o processo, mesmo que elas não sejam produzidas diretamente como objetos visíveis no detector.

O LHCb cita bósons de Higgs adicionais, bósons vetoriais Z′ e leptoquarks como exemplos. São partículas hipotéticas presentes em diferentes extensões da teoria. Sua possível influência faz dos decaimentos raros uma forma indireta de buscar fenômenos em energias além do alcance direto de um determinado experimento de colisão.

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

Os resultados anunciados hoje, em concordância com o MP, delimitam com ainda mais precisão a região de parâmetros em que esses novos modelos podem existir

Na prática, isso restringe as combinações de massas de partículas hipotéticas e intensidades de interação que ainda são compatíveis com os experimentos. Na análise conjunta das duas frações de ramificação feita pelo LHCb, a previsão do Modelo Padrão está dentro da região de confiança de 68,27%, intervalo que expressa a incerteza da medição.

Por que medir o tempo de vida acrescenta outro teste

O LHCb também mediu o tempo de vida efetivo dos mésons Bs0 que decaem em pares de múons. Combinando dados dos Runs 1, 2 e 3, obteve 1,60 ± 0,16 ± 0,01 picossegundo, em concordância com a previsão do Modelo Padrão.

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

O tempo de vida efetivo descreve o momento dos decaimentos na amostra selecionada de Bs0. Algumas extensões propostas do Modelo Padrão podem deixar quase inalterada a probabilidade total de produção de dois múons e, ao mesmo tempo, mudar a distribuição desses decaimentos ao longo do tempo. Medir tanto a frequência quanto o momento dos decaimentos, portanto, testa mais possibilidades do que apenas contá-los.

A razão entre as frações de ramificação de B0 e Bs0 oferece outra comparação. Uma teoria proposta precisa explicar a relação entre os dois processos, além de suas taxas individuais. Os resultados mais recentes do LHCb reúnem essas verificações distintas em uma única análise.

O que vem a seguir nas menores escalas

O LHCb submeteu os novos resultados para publicação e os apresentou em um seminário do CERN que abriu um workshop entre a colaboração e físicos teóricos. A tarefa experimental imediata é coletar evidências adicionais suficientes para levar o sinal de B0 em direção ao limite de observação e medir sua probabilidade com mais precisão.

Uma nova atualização do LHCb em meados da próxima década poderá aumentar a taxa de coleta de dados em mais uma ordem de grandeza, ou seja, cerca de dez vezes, segundo a colaboração. Isso permitirá testes mais exigentes usando os dois decaimentos raros.

O termo Zeptoverse descreve as distâncias extremamente pequenas que os pesquisadores esperam investigar por meio dessas medições de precisão. Um zeptômetro equivale a um milésimo de um bilionésimo de um bilionésimo de metro. Decaimentos raros oferecem uma via indireta para investigar efeitos associados a distâncias muito pequenas e altas energias.

A matéria escura e a origem do excesso de matéria em relação à antimatéria no Universo continuam sendo motivações mais amplas para buscar fenômenos além do Modelo Padrão. A descoberta anunciada aqui é mais específica e concreta: um decaimento raro previsto pela teoria atual atingiu o limite de evidência, e seu comportamento medido oferece aos pesquisadores limites mais rigorosos para alternativas propostas.

Principais pontos

• O LHCb relatou a primeira evidência obtida por um único experimento para B0 → μ+μ−, após uma busca iniciada em 1984.
• Os dados de 2024 e 2025 alcançam três desvios-padrão; a combinação com períodos anteriores eleva a significância a 3,2.
• O Modelo Padrão prevê aproximadamente um decaimento desse tipo a cada 10 bilhões de decaimentos de B0.
• As novas medições dos decaimentos estão de acordo com o Modelo Padrão e restringem as possibilidades de partículas adicionais.
• O LHCb mediu o tempo de vida efetivo do decaimento relacionado de Bs0 em 1,60 ± 0,16 ± 0,01 picossegundo.
• Cinco desvios-padrão continuam sendo a meta para observar o decaimento de B0.