Pesquisadores da Universidade de Rochester trabalhando com a Colaboração CMS em CERNfizeram grandes progressos na medição do ângulo de mistura eletrofraca, avançando nossa compreensão do Modelo Padrão da física de partículas.

O seu trabalho ajuda a explicar as forças fundamentais do universo, apoiado por experiências como as do Large Hadron Collider, que investigam condições semelhantes às que ocorreram após o Big Bang. a grande explosão.

Descubra segredos globais

Na busca para desvendar os segredos do universo, investigadores da Universidade de Rochester têm estado envolvidos durante décadas em colaborações internacionais na Organização Europeia para a Investigação Nuclear, mais conhecida como CERN.

Com base no seu amplo envolvimento no CERN, especialmente na colaboração CMS (Compact Muon Solenoid), a equipe de Rochester – liderada por Ari Budek, George E. Buck – uma conquista inovadora recente. Sua realização se concentra na medição do ângulo de mistura eletrofraca, um componente fundamental do Modelo Padrão da física de partículas. Este modelo descreve como as partículas interagem e prevê com precisão uma ampla gama de fenômenos na física e na astronomia.

“As medições mais recentes do ângulo de mistura eletrofraca são incrivelmente precisas, calculadas a partir de colisões de prótons no CERN, e avançam na compreensão da física de partículas”, diz Budick.

o Colaboração em um sistema de gerenciamento de conteúdo A Colaboração CMS reúne membros da comunidade de física de partículas de todo o mundo para compreender melhor as leis fundamentais do universo. Além de Bodek, o grupo Rochester no projeto CMS Collaboration inclui os investigadores principais Regina DeMina, professora de física, e Aran Garcia Bellido, professor associado de física, juntamente com bolsistas de pós-doutorado e alunos de graduação e pós-graduação.

Os pesquisadores da Universidade de Rochester têm uma longa história de trabalho no CERN como parte da Colaboração Compact Muon Solenoid (CMS), incluindo o desempenho de papéis importantes na descoberta do bóson de Higgs em 2012. Direitos autorais: Samuel Joseph Herzog; Julian Marius Urdan

O legado de descoberta e inovação no CERN

Localizado em Genebra, na Suíça, o CERN é o maior laboratório de física de partículas do mundo e é famoso pelas suas descobertas pioneiras e experiências de ponta.

Os pesquisadores de Rochester têm uma longa história de trabalho no CERN como parte da colaboração CMS, inclusive desempenhando papéis importantes em Descoberta do bóson de Higgs em 2012– Uma partícula elementar que ajuda a explicar a origem da massa no universo.

O trabalho da colaboração inclui a coleta e análise de dados coletados do detector solenóide de múon compacto do Large Hadron Collider (LHC) do CERN, o maior e mais poderoso acelerador de partículas do mundo. O LHC consiste em um anel de 27 quilômetros de extensão de ímãs supercondutores e estruturas aceleradoras construídas no subsolo e que se estendem pela fronteira entre a Suíça e a França.

O objetivo principal do LHC é explorar os blocos básicos de construção da matéria e as forças que os governam. Isto é conseguido acelerando feixes de prótons ou íons próximos à velocidade da luz e colidindo uns com os outros a energias extremamente altas. Estas colisões recriam condições semelhantes às que existiram milissegundos após o Big Bang, permitindo aos cientistas estudar o comportamento das partículas sob condições extremas.

Descubra as forças unificadas

No século XIX, os cientistas descobriram que as diferentes forças da eletricidade e do magnetismo estão interligadas: um campo elétrico variável produz um campo magnético e vice-versa. Esta descoberta formou a base do eletromagnetismo, que descreve a luz como uma onda e explica muitos fenômenos em óptica, além de descrever como os campos elétricos e magnéticos interagem.

Com base neste entendimento, na década de 1960 os físicos descobriram que o eletromagnetismo está relacionado com outra força, a força fraca. A força fraca opera dentro do núcleo dos átomos e é responsável por processos como o decaimento radioativo e a produção de energia solar. Esta descoberta levou ao desenvolvimento da teoria eletrofraca, que postula que o eletromagnetismo e a força fraca são, na verdade, manifestações de baixa energia de uma força unificada chamada interação eletrofraca unificada. Descobertas importantes, como o bóson de Higgs, confirmaram este conceito.

Desenvolvimentos na interação eletrofraca

A equipe do CMS fez recentemente uma das medições mais precisas desta teoria, analisando bilhões de colisões de prótons no Grande Colisor de Hádrons do CERN. O foco deles estava na medição do ângulo de mistura fraco, um parâmetro que descreve como o eletromagnetismo e a força fraca se misturam para formar partículas.

Medições anteriores do ângulo de mistura eletrofraca geraram controvérsia na comunidade científica. No entanto, os resultados mais recentes estão estreitamente alinhados com as previsões do Modelo Padrão da física de partículas. O estudante de pós-graduação de Rochester, Rhys Tawse, e o pesquisador de pós-doutorado Aliko Khokhonishvili aplicaram novas técnicas para reduzir as incertezas metodológicas inerentes a esta medição e aumentar sua precisão.

A compreensão do fraco ângulo de mistura esclarece como as diferentes forças do universo trabalham juntas nas menores escalas, aprofundando a compreensão da natureza fundamental da matéria e da energia.

“A equipe de Rochester vem desenvolvendo técnicas inovadoras e medindo esses parâmetros elétricos fracos desde 2010 e depois implementando-os no Large Hadron Collider”, diz Budick. “Essas novas técnicas anunciaram uma nova era de testes de precisão das previsões do Modelo Padrão.”

Um trilobita datado de 508 milhões de anos foi encontrado preservado em material vulcânico, revelando detalhes nunca antes vistos em forma 3D. Sua fossilização foi tão rápida que pequenas conchas foram preservadas no lugar, e tecidos moles, incluindo peças bucais e órgãos internos, ainda podem ser vistos.

Os trilobitas foram soterrados pelo fluxo vulcânico, o material quente e denso que irrompe dos vulcões e às vezes atinge velocidades de até 200 metros (656 pés) por segundo. Geralmente queima qualquer organismo vivo em seu caminho, mas isso pode mudar no ambiente marinho.

“A superfície do mar sobre a qual as cinzas fluíam era letalmente quente e teria queimado animais em profundidades rasas”, diz o coautor do estudo. Dr.Greg Edgecombe “As cinzas devem ter se misturado com a água do mar enquanto eram recolhidas e transportadas pelos tripés que viviam no fundo do mar”, disse um arqueólogo do Museu de História Natural de Londres ao IFLScience. “Essa mistura através de uma coluna de água do mar deve ter resfriado as cinzas. suficientemente.”

As maravilhas antigas, coletadas no Alto Atlas de Marrocos, receberam o nome de trilobitas de “Pompéia” devido à sua notável preservação nas cinzas. Eles são incrivelmente antigos, mas não são os trilobitas mais antigos já encontrados.

Têm cerca de 508 milhões de anos, mais jovens que os trilobitas mais antigos, que datam de cerca de 521 milhões de anos atrás. Existem também vestígios fósseis mais antigos em forma de toca, chamados Rusophycus, que se acredita serem obra de trilobitas e têm mais de 528 milhões de anos.

No entanto, o pargo comparativo ainda é notável pelo grau de conservação que exibe.

“O que torna nossos espécimes únicos, especialmente imaculados, é a preservação de seus apêndices tridimensionais”, continuou Edgecombe. “Os apêndices não são achatados, reorientados ou quebrados. Eles são preservados em suas orientações de vida proximais. Como são preservados como espaço vazio na matriz rochosa, podemos imaginá-los em corte transversal para vê-los em 3D.”

“Os apêndices preservados em xisto podem preservar suas cerdas lindamente, mas os fósseis são tão comprimidos que são quase bidimensionais, e temos que usar amostragem destrutiva para perfurar mecanicamente as partes superiores dos apêndices para ver as inferiores. Nossos espécimes são tão perfeitos depois do estudo quanto eram antes.”

Esses detalhes nunca antes vistos significam que agora vemos os trilobitas mais próximos da vida real do que jamais os vimos antes, completos com uma boca em forma de fenda e apêndices de alimentação verticais exclusivos. Ela não é linda?

O estudo está publicado na revista Ciências.

Os pesquisadores usaram sensores quânticos para explorar novas interações de partículas em distâncias microscópicas, fornecendo resultados inovadores que expandem o escopo do Modelo Padrão em física.

Uma equipe de pesquisa liderada pelo Acadêmico Du Jiangfeng e pelo Professor Rong Xing da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC), parte da Academia Chinesa de Ciências (CAS), em colaboração com o Professor Jiao Man da Universidade de Zhejiang, usou um material sólido . Sensores quânticos de spin para sondar interações exóticas dependentes da velocidade de spin (SSIVDs) em faixas de força curtas. Seu estudo relata novos resultados experimentais relacionados às interações elétron-spin e foi publicado na revista Cartas de revisão de materiais.

O Modelo Padrão é uma estrutura teórica de muito sucesso em física de partículas, que descreve partículas fundamentais e quatro interações fundamentais. No entanto, o Modelo Padrão ainda não consegue explicar alguns fatos observacionais importantes na cosmologia atual, como a matéria escura e a energia escura.

Algumas teorias sugerem que as novas partículas poderiam atuar como difusores, proporcionando novas interações entre as partículas do Modelo Padrão. Atualmente, faltam pesquisas experimentais sobre novas interações entre ciclos relacionadas à velocidade, especialmente na faixa relativamente pequena de força-distância, onde a verificação experimental é quase inexistente.

Resultados experimentais do estudo. Fonte: Du et al.

Configuração experimental e metodologia

Os pesquisadores projetaram um dispositivo experimental equipado com dois diamantes. Uma matriz de vacâncias de nitrogênio de alta qualidade foi preparada na superfície de cada diamante usando deposição química de vapor. O spin do elétron em um grupo da vacância de nitrogênio atua como um sensor de spin, enquanto o outro atua como uma fonte de spin.

Os pesquisadores procuraram novos efeitos de interação entre os spins de elétrons dependentes da velocidade na escala micrométrica, manipulando de forma coerente os estados quânticos de spin e as velocidades relativas de dois aglomerados de diamante NV. Primeiro, eles usaram um sensor de spin para caracterizar a interação de um dipolo magnético com uma fonte de spin como referência. Em seguida, modulando a vibração da fonte de spin e realizando detecção de travamento e análise de fase ortogonal, eles mediram os SSIVDs.

Para duas novas reações, os pesquisadores fizeram a primeira detecção experimental na faixa de força inferior a 1 cm e inferior a 1 km, respectivamente, e obtiveram dados experimentais valiosos.

Como observa o editor, “os resultados trazem novos insights para a comunidade de sensores quânticos para explorar interações fundamentais que exploram os recursos compactos, flexíveis e sensíveis do spin do estado sólido”.

Referência: “Novas restrições em interações exóticas dependentes da velocidade de spin com sensores quânticos de estado sólido” por Yu Huang, Hang Liang, Man Jiao, Bai Yu, Xiangyu Yi, Yijin Xie, Yi-Fu Cai, Zhang-Kui Duan, Ya Wang, Xingrong e Jiangfeng Du, 30 de abril de 2024, Cartas de revisão de materiais.
doi: 10.1103/PhysRevLett.132.180801