Nossos resultados do Grande Colisor de Hádrons apontam para física desconhecida
Our Large Hadron Collider results hint at undiscovered physics
The behaviour of sub-atomic particles in the LHC seems to disagree with the Standard Model.
O comportamento das partículas subatômicas no LHC parece discordar do Modelo Padrão.
Recent findings from research we have been carrying out at the Large Hadron Collider (LHC) at Cern in Geneva suggest that we might be closing in on signs of undiscovered physics.
Descobertas recentes de pesquisas que temos realizado no Grande Colisor de Hádrons (LHC), no CERN em Genebra, sugerem que podemos estar chegando a sinais de física ainda não descoberta.
If confirmed, these hints would overturn the theory, called the Standard Model, that has dominated particle physics for 50 years. The findings suggest the way that specific sub-atomic particles behave in the LHC disagrees with the Standard Model.
Se confirmados, esses indícios derrubariam a teoria, chamada Modelo Padrão, que tem dominado a física de partículas há 50 anos. As descobertas sugerem que a maneira como partículas subatômicas específicas se comportam no LHC difere do Modelo Padrão.
Fundamental particles are the most basic building blocks of matter – sub-atomic particles that cannot be divided into smaller units. The four fundamental forces – gravity, electromagnetism, the weak force and the strong force – govern how these particles interact.
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, a força fraca e a força forte – governam como essas partículas interagem.
The LHC is a giant particle accelerator built in a 27km-long circular tunnel under the French-Swiss border. Its main purpose is to find cracks in the Standard Model.
O LHC é um gigantesco acelerador de partículas construído em um túnel circular de 27 km de extensão sob a fronteira franco-suíça. Seu principal objetivo é encontrar falhas no Modelo Padrão.
This theory is our best understanding of fundamental particles and forces, but we know it cannot be the whole story. It does not explain gravity or dark matter – the invisible, so far unmeasured type of matter that makes up approximately 25% of the universe.
Esta teoria é nosso melhor entendimento das partículas e forças fundamentais, mas sabemos que não pode ser a história completa. Ela não explica a gravidade ou a matéria escura – o tipo de matéria invisível, até agora não mensurado, que constitui aproximadamente 25% do universo.
In the LHC, beams of proton particles travelling in opposite directions are made to collide, in a bid to uncover hints of undiscovered physics. The new results come from LHCb, an experiment at the Large Hadron Collider where these collisions are analysed.
No LHC, feixes de partículas próton que viajam em direções opostas são feitos para colidir, em uma tentativa de desvendar indícios de física ainda não descoberta. Os novos resultados vêm do LHCb, um experimento no Grande Colisor de Hádrons onde essas colisões são analisadas.
The result comes from studying the decay – a kind of transformation – of sub-atomic particles called B mesons. We investigated how these B mesons decay into other particles, finding that the particular way in which this happens disagrees with the predictions of the Standard Model.
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 difere das previsões do Modelo Padrão.
An elegant theory
Uma teoria elegante
The Standard Model is built on two of the 20th century’s most transformative advances in physics; quantum mechanics and Einstein’s special relativity.
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.
Physicists can compare measurements made at facilities such as the LHC with predictions based on the Standard Model to rigorously test the theory.
Os físicos podem comparar medições feitas em instalações como o LHC com previsões baseadas no Modelo Padrão para testar rigorosamente a teoria.
Despite the fact that we know the Standard Model is incomplete, in over 50 years of increasingly rigorous testing, particle physicists are yet to find a crack in the theory. That is, potentially, until now.
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 falha na teoria. Ou, potencialmente, até agora.
Our measurement, accepted for publication in Physical Review Letters, shows a tension of four standard deviations from the expectations of the Standard Model.
Nossa medição, aceita para publicação em Physical Review Letters, mostra uma tensão de quatro desvios-padrão em relação às expectativas do Modelo Padrão.
In real world terms, this means that, after considering the uncertainties from the experimental results and from the theory predictions, there is only a one in 16,000 chance that a random fluctuation in the data this extreme would occur if the Standard Model is correct.
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 estiver correto.
Although this falls short of science’s gold standard – what’s known as five sigma, or five standard deviations (about a one in 1.7 million chance) – the evidence is starting to mount. Adding to this compelling narrative are results from an independent LHC experiment, CMS, that were published earlier in 2025.
Embora isso fique aquém do padrão ouro da ciência – o que é conhecido como cinco sigma, ou cinco desvios-padrão (cerca de uma chance em 1,7 milhão) – a evidência está começando a se acumular. Adicionando a esta narrativa convincente estão resultados de um experimento independente do LHC, o CMS, que foram publicados no início de 2025.
Although the CMS results are not as precise as those from LHCb, they agree well, strengthening the case. Our new results have been found in a study of a particular kind of process, known as an electroweak penguin decay.
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 de pinguim eletrofraco.
Rare events
Eventos Raros
The term “penguin” refers to a specific type of decay (transformation) of short-lived particles. In this case we study how the B meson decays into four other subatomic particles – a kaon, a pion and two muons.
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 píon e dois múons.
With some imagination, one can visualise the arrangement of the particles involved as looking like a penguin. Crucially, measurements of this decay let us study how one type of fundamental particle, a beauty quark, can transform into another, the strange quark.
Com um pouco de imaginação, é possível visualizar o arranjo das partículas envolvidas como se parecesse um pinguim. Crucialmente, as medições deste decaimento nos permitem estudar como um tipo de partícula fundamental, um quark beleza, pode se transformar em outro, o quark estranho.
This penguin decay is incredibly rare in the Standard Model: for every million B mesons, only one will decay in this manner. We have carefully analysed the angles and energies at which these particles are produced in the decay, and precisely determined how often the process takes place. We found that our measurements of these quantities disagree with Standard Model predictions.
Este decaimento de pinguim é incrivelmente raro no Modelo Padrão: para cada milhão de mésons B, apenas um decairá desta maneira. Analisamos cuidadosamente os ângulos e as energias nos quais essas partículas são produzidas no decaimento e determinamos com precisão a frequência com que o processo ocorre. Descobrimos que nossas medições dessas quantidades discordam das previsões do Modelo Padrão.
Precise investigations of decays like this are one of the primary goals of the LHCb experiment, and have been since its inception in 1994. Penguin processes are uniquely sensitive to the effects of potentially very heavy new particles that cannot be created directly at the LHC.
Investigações precisas de decaimentos como este são um dos principais objetivos do experimento LHCb, e têm sido desde sua criação em 1994. Os processos de pinguim são particularmente sensíveis aos efeitos de partículas novas potencialmente muito pesadas que não podem ser criadas diretamente no LHC.
Such particles may still exert a measurable influence on these decays over the small Standard Model contribution. This kind of indirect observation is not new. For example, radioactivity was discovered 80 years before the fundamental particles that are responsible for it (the W bosons) were directly seen.
Tais partículas ainda podem exercer uma influência mensurável nesses decaimentos sobre a pequena contribuição do Modelo Padrão. Esse tipo de observação indireta não é novo. Por exemplo, a radioatividade foi descoberta 80 anos antes que as partículas fundamentais responsáveis por ela (os bósons W) fossem vistas diretamente.
Future directions
Direções futuras
Our studies of rare processes let us explore parts of nature that may otherwise only become accessible using particle colliders planned for the 2070s. There are a wide range of potential new theories that can explain our findings. Many contain new particles called “leptoquarks” that unite the two different types of matter: “leptons” and “quarks”.
Nossos estudos de processos raros nos permitem explorar partes da natureza que, de outra forma, só se tornariam acessíveis usando colisionadores de partículas planejados para a década de 2070. Há uma ampla gama de potenciais novas teorias que podem explicar nossas descobertas. Muitas contêm novas partículas chamadas “leptoquarks” que unem os dois diferentes tipos de matéria: “léptons” e “quarks”.
Other potential theories contain particles that are heavier analogues of those already found in the Standard Model. The new results constrain the form of these models and will direct future searches for them.
Outras teorias potenciais contêm partículas que são análogos mais pesados daqueles já encontrados no Modelo Padrão. Os novos resultados restringem a forma desses modelos e direcionarão futuras buscas por eles.
Despite our excitement, open theoretical questions remain that prevent us from definitively claiming that physics beyond the Standard Model has been observed. The most serious question arises from so-called “charming penguins”, a set of processes present in the Standard Model, whose contributions are extremely tricky to predict. Recent estimates of these charming penguins suggest their effects are not large enough to explain our data.
Apesar do nosso entusiasmo, permanecem questões teóricas abertas que nos impedem de afirmar definitivamente que a física além do Modelo Padrão foi observada. A questão mais séria surge dos chamados “pinguins charmosos” (charming penguins), um conjunto de processos presentes no Modelo Padrão, cujas contribuições são extremamente difíceis de prever. Estimativas recentes desses pinguins charmosos sugerem que seus efeitos não são grandes o suficiente para explicar nossos dados.
Furthermore, a combination of a theory model and experimental data from LHCb suggests that the charming penguins (and therefore, the Standard Model) struggle to explain the anomalous results.
Além disso, uma combinação de um modelo teórico e dados experimentais do LHCb sugere que os pinguins charmosos (e, portanto, o Modelo Padrão) têm dificuldade em explicar os resultados anômalos.
New data already collected will let us confirm the situation in the coming years: in our current work we studied approximately 650 billion B meson decays recorded between 2011 and 2018 to find these penguin decays. Since then, the LHCb experiment has recorded three times as many B mesons.
Novos dados já coletados nos permitirão confirmar a situação nos próximos anos: em nosso trabalho atual, estudamos aproximadamente 650 bilhões de decaimentos de méson B registrados entre 2011 e 2018 para encontrar esses decaimentos de pinguim. Desde então, o experimento LHCb registrou três vezes mais mésons B.
Further advances are planned for the 2030s to exploit future upgrades to the LHC and accrue a dataset 15 times larger again. This ultimate step will allow definitive claims to be made, potentially unlocking a new understanding of how the universe works at the most elementary level.
Avanços adicionais estão planejados para a década de 2030 para explorar futuras atualizações do LHC e acumular um conjunto de dados 15 vezes maior novamente. Este passo final permitirá fazer afirmações definitivas, potencialmente desbloqueando uma nova compreensão de como o universo funciona no nível mais elementar.
William Barter works for the University of Edinburgh. He receives funding from UKRI. He is a member of the LHCb collaboration at Cern.
William Barter trabalha para a Universidade de Edimburgo. Ele recebe financiamento do UKRI. Ele é membro da colaboração LHCb no Cern.
Mark Smith does not work for, consult, own shares in or receive funding from any company or organisation that would benefit from this article, and has disclosed no relevant affiliations beyond their academic appointment.
Mark Smith não trabalha, não é consultor, não possui ações ou não recebe financiamento de nenhuma empresa ou organização que se beneficiaria deste artigo, e não divulgou afiliações relevantes além de seu cargo acadêmico.
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