Se os físicos de partículas conseguirem o que querem, novos aceleradores podem um dia examinar a mais curiosa partícula subatômica da física, o bóson de Higgs. Seis anos após a descoberta dessa partícula no Grande Colisor de Hádrons, os físicos estão planejando novas máquinas enormes que se estenderão por dezenas de quilômetros na Europa, Japão ou China.
Novos aceleradores: o que eles serão
A descoberta dessa partícula subatômica, que revela a origem da massa, levou à conclusão do Modelo Padrão, a teoria abrangente da física de partículas. E também se tornou uma conquista histórica para o LHC, atualmente o maior acelerador do mundo - afinal, ele foi construído para procurar o bóson de Higgs, embora não apenas.
Agora, os físicos querem se aprofundar nos mistérios do bóson de Higgs na esperança de que ele seja a chave para resolver os problemas de longa duração da física de partículas. “O Higgs é uma partícula especial”, diz o físico Yifang Wang, diretor do Instituto de Física de Altas Energias de Pequim. "Acreditamos que o Higgs é uma janela para o futuro."
O Grande Colisor de Hádrons, também conhecido como LHC, que consiste em um anel de 27 quilômetros de comprimento, dentro do qual os prótons aceleram quase a velocidade da luz e colidem bilhões de vezes por segundo, quase atingiu seu limite. Ele fez um excelente trabalho em encontrar o Higgs, mas não é adequado para pesquisas detalhadas.
Portanto, os físicos de partículas estão exigindo um novo colisor de partículas especialmente projetado para lançar pilhas de bósons de Higgs. Vários projetos foram propostos para essas novas máquinas poderosas, e os cientistas esperam que essas fábricas de Higgs possam ajudar a encontrar soluções para as fragilidades gritantes do Modelo Padrão.
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"O Modelo Padrão não é uma teoria completa do universo", diz a física experimental de partículas Galina Abramovich, da Universidade de Tel Aviv. Por exemplo, essa teoria não explica a matéria escura, uma substância não identificada cuja massa é necessária para explicar as observações cósmicas, como o movimento das estrelas nas galáxias. Também não explica por que o universo é feito de matéria, enquanto a antimatéria é extremamente rara.
Os defensores dos novos aceleradores argumentam que o estudo cuidadoso do bóson de Higgs pode indicar aos cientistas o caminho para a solução desses mistérios. Mas entre os cientistas, o desejo de novos aceleradores caros não é apoiado por todos. Além disso, não está claro o que exatamente essas máquinas podem ser encontradas.
Próximo na fila
O primeiro da linha é o International Linear Collider no norte do Japão. Ao contrário do LHC, no qual as partículas se movem em um anel, o MLC acelera dois feixes de partículas em linha reta, diretamente um sobre o outro, ao longo de seus 20 quilômetros de extensão. E em vez de empurrar os prótons juntos, ele empurra os elétrons e seus parceiros de antimatéria, os pósitrons.
No entanto, em dezembro de 2018, um comitê interdisciplinar do Conselho Científico do Japão se opôs ao projeto, pedindo ao governo que tomasse cuidado com seu apoio e se perguntando se os avanços científicos esperados justificavam o custo do colisor, atualmente estimado em US $ 5 bilhões.
Os proponentes argumentam que o plano de MLK de colidir elétrons e pósitrons, ao invés de prótons, tem várias vantagens importantes. Elétrons e pósitrons são partículas elementares, ou seja, não possuem componentes menores, e os prótons são compostos por partículas menores - quarks. Isso significa que as colisões de prótons serão mais caóticas e criarão mais fragmentos de partículas inúteis que terão de ser filtrados.
Além disso, nas colisões de prótons, apenas parte da energia de cada próton realmente entra na colisão, enquanto nos colisões elétron-pósitron, as partículas transferem a energia total para a colisão. Isso significa que os cientistas podem ajustar a energia de colisão para maximizar o número de bósons de Higgs produzidos. Ao mesmo tempo, o MLK exigiria apenas 250 bilhões de elétron-volts para produzir bósons de Higgs, em comparação com 13 trilhões de elétron-volts no LHC.
Na MLK, "a qualidade dos dados será muito melhor", disse o físico de partículas Lyn Evans, do CERN em Genebra. Uma em cada 100 colisões no MLK produzirá o bóson de Higgs, enquanto no LHC isso acontece uma vez a cada 10 bilhões de colisões.
O governo japonês deve tomar uma decisão sobre o colisor em março. Evans diz que se o MLK for aprovado, levará cerca de 12 anos para ser construído. Posteriormente, o acelerador também pode ser atualizado para aumentar a energia que pode atingir.
O CERN tem planos de construir uma máquina semelhante, o Compact Linear Collider (CLIC). Ele também colidirá elétrons e pósitrons, mas com energias mais altas do que o MLK. Sua energia começará em 380 bilhões de elétron-volts e aumentará para 3 trilhões de elétron-volts em uma série de atualizações. Para alcançar essas energias mais altas, uma nova tecnologia de aceleração de partículas precisa ser desenvolvida, o que significa que o CLIC não aparecerá antes do MLK, diz Evans, que está liderando a colaboração de pesquisa em ambos os projetos.
Correndo em círculo
Os outros dois colisões planejados, na China e na Europa, serão tão redondos quanto o LHC, mas muito maiores: cada um com uma circunferência de 100 quilômetros. Este é um círculo grande o suficiente para circundar o país de Liechtenstein duas vezes. Este é praticamente o comprimento do anel viário de Moscou.
O colisor circular elétron-pósitron, cujo canteiro de obras ainda não foi determinado na China, irá colidir 240 bilhões de elétrons-volt e pósitrons, de acordo com um plano conceitual revelado oficialmente em novembro e patrocinado por Wang e o Instituto de Física de Altas Energias. Este acelerador poderia mais tarde ser atualizado para colidir prótons de alta energia. Os cientistas dizem que poderiam começar a construir essa máquina de US $ 5-6 bilhões até 2022 e concluí-la até 2030.
E no CERN o proposto Colisor Circular do Futuro, o BKK, também entrará em operação em estágios, colidindo elétrons com pósitrons e, posteriormente, prótons. O objetivo final será atingir colisões de prótons a 100 trilhões de elétron-volts, mais de sete vezes a energia do LHC.
Enquanto isso, os cientistas desligaram o LHC por dois anos, atualizando a máquina para funcionar com energia superior. Em 2026, o LHC de alta luminosidade começará a funcionar, o que aumentará a frequência de colisões de prótons em pelo menos cinco vezes.
Retrato de Higgs
Quando o LHC foi construído, os cientistas estavam confiantes o suficiente para encontrar o bóson de Higgs com ele. Mas, com as novas máquinas, não está claro quais novas partículas procurar. Eles simplesmente catalogarão o quão fortemente o Higgs interage com outras partículas conhecidas.
As medições das interações de Higgs podem confirmar as expectativas do Modelo Padrão. Mas se as observações diferem das expectativas, a discrepância pode indicar indiretamente a presença de algo novo, como as partículas que constituem a matéria escura.
Alguns cientistas esperam que algo inesperado aconteça. Porque o próprio bóson de Higgs é um mistério: essas partículas se condensam em um líquido semelhante ao melaço. Por quê? Não temos ideia, diz o teórico de partículas Michael Peskin, da Universidade de Stanford. Este fluido permeia o universo, desacelerando as partículas e dando-lhes peso.
Outro mistério é que a massa de Higgs é um milhão de bilhões a menos do que o esperado. Essa estranheza pode indicar que existem outras partículas. Os cientistas pensaram que poderiam responder ao problema de Higgs com a ajuda da teoria da supersimetria - uma consoante da qual cada partícula tem um parceiro mais pesado. Mas isso não aconteceu, porque o LHC não encontrou vestígios de partículas supersimétricas.
Os futuros colisores ainda podem encontrar evidências de supersimetria ou, de outra forma, sugerir novas partículas, mas desta vez os cientistas não farão promessas. Eles agora estão mais ocupados desenvolvendo prioridades e argumentando em favor de novos aceleradores e outros experimentos em física de partículas. Uma coisa é certa: os aceleradores propostos vão explorar um território desconhecido com resultados imprevisíveis.
Ilya Khel
