• Começa Com Um Estrondo

As 3 razões pelas quais o grande colisor de hádrons do CERN não pode fazer as partículas irem mais rápido

Uma vista aérea do CERN, com a circunferência do Grande Colisor de Hádrons (27 quilômetros ao todo) delineada. O mesmo túnel foi usado para abrigar um colisor elétron-pósitron, LEP, anteriormente. As partículas no LEP foram muito mais rápidas do que as partículas no LHC, mas os prótons do LHC carregam muito mais energia do que os elétrons ou pósitrons do LEP. Fortes testes de simetria são realizados no LHC, mas as energias dos fótons estão bem abaixo do que o Universo produz. (MAXIMILIEN BRICE (CERN))

Mais energia significa mais potencial de descoberta, mas estamos no topo.

Se seu objetivo é descobrir algo completamente novo, você precisa olhar de uma maneira que ninguém mais olhou antes. Isso pode significar sondar o Universo com maior precisão, onde cada ponto decimal em sua medição conta. Poderia ocorrer reunindo um número cada vez maior de estatísticas, de modo que eventos extremamente raros e improváveis ​​sejam revelados. Ou uma nova descoberta pode estar nos esperando, empurrando as fronteiras de nossas capacidades para extremos cada vez maiores: temperaturas mais baixas para experimentos criogênicos, distâncias maiores e objetos mais fracos para estudos astronômicos ou maiores energias para experimentos de física de alta energia.

É empurrando esta última fronteira – a fronteira da energia – que muitas das maiores descobertas da história da física aconteceram. Na década de 1970, aceleradores em Brookhaven, SLAC e Fermilab descobriram quarks charm e bottom. Na década de 1990, o Tevatron do Fermilab, uma enorme atualização de energia sobre o anel principal original , descobriu os quarks top: o quark final do Modelo Padrão. E nas décadas de 2000 e 2010, o Grande Colisor de Hádrons do CERN, ele próprio uma enorme atualização sobre o Tevatron, descobriu o bóson de Higgs: a partícula remanescente final do Modelo Padrão.

No entanto, apesar de nossos sonhos exploratórios de empurrar ainda mais a fronteira do Universo, uma nova máquina provavelmente será necessária. Aqui estão as três razões pelas quais o Grande Colisor de Hádrons não pode fazer suas partículas irem ainda mais rápido.

Em túneis subterrâneos gigantes, uma série de eletroímãs conduzem partículas de alta energia. À medida que as partículas percorrem partes retas de um acelerador, um campo elétrico pode chutá-las para energias ainda mais altas. À medida que se movem para baixo em partes curvas, são necessários eletroímãs para dobrá-los em um círculo de grande circunferência. (MAXIMILIEN BRICE, CERN (SERVIDOR DE DOCUMENTOS CERN))

Para começar, vejamos a física básica subjacente a um acelerador de partículas e, em seguida, vamos aplicar isso ao que o Grande Colisor de Hádrons faz. Se você quiser fazer uma partícula eletricamente carregada ir mais rápido – para velocidades mais altas – a maneira de fazer isso é aplicar um campo elétrico na direção em que ela está se movendo e ela acelera. Mas a menos que você vá fazer um acelerador linear, onde você está limitado pela força do seu campo elétrico e pelo comprimento do seu dispositivo, você vai querer dobrar essas partículas em um círculo. Com um acelerador circular, você pode recircular essas mesmas partículas repetidamente, chutando-as para energias cada vez mais altas a cada passagem.

Para fazer isso, porém – para dobrar uma partícula carregada em movimento – você precisa de um campo magnético. Um ímã permanente simplesmente não serve, por dois motivos:

1. eles têm uma força fixa que não pode ser ajustada conforme necessário, o que não é bom para um círculo de tamanho fixo com partículas que estão acelerando à medida que viajam,
2. e eles são relativamente fracos, chegando a uma força de campo máxima entre 1 e 2 Tesla.

Para superar esses obstáculos, usamos eletroímãs, que podem ser ajustados para qualquer intensidade de campo desejada, simplesmente bombeando grandes quantidades de corrente elétrica através deles.

Os eletroímãs surgem sempre que uma corrente elétrica passa por um laço ou bobina de fio, induzindo um campo magnético dentro dele. Embora existam muitas aplicações industriais de eletroímãs, desde extração de ferro até diagnóstico por ressonância magnética, eles também são úteis para manipular partículas elementares. (Grupo de Imagens de Educação/Imagens Universais via Getty Images)

No Grande Colisor de Hádrons do CERN – o acelerador de partículas mais poderoso do mundo já construído – os prótons circulam no sentido horário e anti-horário, onde eventualmente serão forçados a colidir. A forma como o acelerador funciona é a seguinte. Em uma série de etapas, o acelerador:

• ioniza a matéria normal, retirando elétrons dos núcleos até que restem apenas prótons nus,
• então ele acelera esses prótons até uma energia substancial, pois uma voltagem aplicada (e um campo elétrico) faz com que esses prótons acelerem,
• então ele usa uma combinação de campos elétricos e magnéticos para colimar essas partículas,
• onde são injetados em um acelerador circular maior,
• onde os campos magnéticos dobram essas partículas em movimento em um círculo,
• enquanto os campos elétricos empurram essas partículas, em cada passagem, para energias ligeiramente mais altas,
• à medida que os campos magnéticos aumentam em força para manter essas partículas se movendo no mesmo círculo,
• e então essas partículas são colimadas como antes e injetadas em um acelerador circular maior e de maior energia,
• onde os campos elétricos os empurram para energias mais altas e os campos magnéticos os dobram para permanecer em um círculo,
• até uma energia máxima, tanto no sentido horário quanto no anti-horário,

e quando essa energia é alcançada, essas partículas são então comprimidas em locais específicos, para que colidam entre si onde são cercadas por detectores de última geração.

Diagrama dos túneis do Grande Colisor de Hádrons e quatro dos principais detectores. No CMS, ATLAS e LHCb, pontos de colisão são criados: onde prótons de alta energia circulando no sentido horário e anti-horário são comprimidos até um ponto de colisão, com detectores construídos em torno desses locais. (CERN)

É uma configuração muito inteligente e indica como a física de partículas experimental foi feita, com muitos tipos diferentes de partículas (mas especialmente prótons), por muitas décadas. O Large Hadron Collider é o mais recente e maior acelerador construído pela comunidade física, tendo gerado mais colisões, medidas com mais precisão e em energias mais altas do que qualquer acelerador anterior.

E, no entanto, também enfrenta limitações fundamentais. Embora já tenha sido atualizado, esteja em processo de atualização novamente e esteja programado para ser atualizado várias vezes no futuro, nenhuma dessas atualizações nos levará a energias mais altas: onde futuras descobertas fundamentais ainda podem esperar. Essas atualizações estarão na frente de geração de mais colisões, onde um número maior de partículas – o que os físicos de partículas chamam de luminosidade – são agrupados e acelerados juntos, aumentando o número de colisões.

Embora essas atualizações sejam significativas, implicando que o LHC levará de 30 a 50 vezes a quantidade cumulativa de dados já obtidos até agora nos próximos 15 anos, eles simplesmente não serão capazes de produzir prótons mais rápidos ou mais energéticos. colisões. Aqui estão os três motivos.

O detector CMS no CERN, um dos dois detectores de partículas mais poderosos já montados. O 'C' em CMS significa 'compacto', o que é hilário porque é o segundo maior detector de partículas já construído, atrás apenas do ATLAS, o outro grande detector do CERN. (CERN)

1.) Força do ímã . Se pudéssemos aumentar nossos eletroímãs - os ímãs dobrados que mantêm as partículas se movendo em círculo - até forças de campo arbitrariamente altas, parece que poderíamos continuar acelerando essas partículas a velocidades cada vez maiores. A cada revolução completa em torno da maior pista circular, um chute elétrico leva você a velocidades maiores, enquanto um aumento correspondente na força do campo magnético curva sua partícula mais severamente. Enquanto seus ímãs puderem acompanhar, você pode continuar aumentando a velocidade de sua partícula cada vez mais perto da velocidade da luz.

Para uma partícula como um próton, cuja massa é grande em comparação com sua carga, esta é uma tarefa difícil para os ímãs. Um ímã mais forte é necessário para manter uma partícula de alta massa em uma órbita circular de um raio específico do que uma partícula de baixa massa, e os prótons são cerca de 1836 vezes mais massivos que um elétron, que tem a mesma carga de magnitude. Para os ímãs do Grande Colisor de Hádrons, eles chegam a cerca de ~ 8 Tesla, que é cerca de quatro vezes a força dos ímãs do Tevatron, o detentor do recorde anterior.

Infelizmente, não se trata apenas de atingir essa força de campo, mas de controlá-la com precisão, mantê-la e usá-la para dobrar essas partículas exatamente como elas precisam ser dobradas.

Dentro das atualizações do ímã no LHC, que o fazem funcionar com quase o dobro das energias da primeira corrida (2010-2013). As atualizações que estão ocorrendo agora, em preparação para o Run III, aumentarão não a energia, mas a luminosidade, ou o número de colisões por segundo. (RICHARD JUILLIART/AFP/GETTY IMAGES)

A geração atual de eletroímãs no Grande Colisor de Hádrons realmente não pode manter forças de campo mais fortes do que isso, embora pesquisas em o Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético alcançou e manteve forças de campo de até ~45/75/101 Tesla por curtos períodos de tempo (dependendo da configuração e do ímã em questão) e até 32 Tesla por longos períodos, um novo recorde estabelecido no início deste ano . Mesmo ao resfriar com hélio líquido, fazendo com que os eletroímãs supercondutores, há um limite físico para as intensidades de campo que podem ser alcançadas e mantidas por longos períodos de tempo.

Equipar um acelerador com um novo conjunto de eletroímãs é caro e trabalhoso: uma instalação de fabricação especializada projetada especificamente para criar os ímãs necessários para o acelerador será necessária para qualquer tipo de atualização como essa. Um novo conjunto de infraestrutura de suporte também seria necessário. Esse avanço foi a principal atualização que levou à descoberta do quark top no Fermilab – quando uma nova geração de eletroímãs foi instalada, criando o Tevatron – mas com a tecnologia atual instalada no Large Hadron Collider, forças de campo mais altas simplesmente não são t nas cartas.

Um próton não é apenas três quarks e glúons, mas um mar de partículas densas e antipartículas em seu interior. Quanto mais precisamente olharmos para um próton e quanto maiores forem as energias com as quais realizamos experimentos de espalhamento inelástico profundo, mais subestrutura encontramos dentro do próprio próton. Parece não haver limite para a densidade de partículas no interior. (COLABORAÇÃO JIM PIVARSKI / FERMILAB / CMS)

2.) A razão carga-massa do próton . Se você pudesse manipular a própria natureza da matéria, poderia imaginar diminuir a massa do próton enquanto mantém a carga a mesma. Embora estejamos lidando com a relatividade aqui, a famosa equação de Newton, F = m para , é ilustrativo o suficiente para mostrar que, com o mesmo campo e a mesma força, mas com uma massa menor, você pode obter maiores acelerações. Temos uma partícula com a mesma carga que um próton, mas uma massa muito menor: o elétron carregado negativamente e sua contraparte de antimatéria, o pósitron. Com a mesma carga, mas apenas 1/1836 da massa, ele acelera com muito mais rapidez e facilidade.

Infelizmente, já tentamos o experimento de acelerar elétrons e pósitrons no mesmo anel onde o Grande Colisor de Hádrons está agora localizado: ele foi chamado de LEP, para o Grande Colisor Elétron-Pósitron. Enquanto esses elétrons e pósitrons foram capazes de atingir velocidades muito maiores do que os prótons no Grande Colisor de Hádrons podem atingir – 299.792.457,992 m/s, em oposição aos ~299.792.455 m/s para prótons – estes correspondem a energias muito mais baixas do que o Grande Hádron. prótons do colisor.

O fator limitante é um fenômeno conhecido como radiação síncrotron .

Elétrons e pósitrons relativísticos podem ser acelerados a velocidades muito altas, mas emitirão radiação síncrotron (azul) em energias altas o suficiente, impedindo-os de se mover mais rápido. Esta radiação síncrotron é o análogo relativístico da radiação prevista por Rutherford há tantos anos, e tem uma analogia gravitacional se você substituir os campos eletromagnéticos e cargas por campos gravitacionais. (CHUNG-LI DONG, JINGHUA GUO, YANG-YUAN CHEN E CHANG CHING-LIN, 'SONDAS DE ESPECTROSCOPIA DE RAIO-X SOFT DISPOSITIVOS COM BASE EM NANOMATERIAIS')

Quando você acelera uma partícula carregada em um campo magnético, ela não apenas se curva perpendicularmente à direção do campo e ao movimento original da partícula; também emite radiação eletromagnética. Esta radiação transporta energia para longe da partícula em movimento rápido, e o:

• mais rápido a partícula vai,
• quanto maior a sua carga,
• quanto menor a sua massa,
• e quanto mais forte o campo magnético,

mais energética será essa radiação síncrotron.

Para uma partícula como o próton, a radiação síncrotron ainda é insignificante, enquanto para uma partícula como um elétron ou pósitron, já é o fator limitante da tecnologia atual. Uma solução superior seria encontrar uma partícula que estivesse entre a massa do elétron e do próton, mas com a mesma carga. Temos um:o desejo, mas o problema é que é instável, com uma vida útil média de apenas 2,2 microssegundos. Até que possamos criar e controlar múons com a mesma facilidade e sucesso com que podemos controlar prótons e elétrons (e suas contrapartes de antimatéria), a massa pesada do próton, ou emissão síncrotron de elétrons, será um fator limitante.

O Future Circular Collider é uma proposta para construir, para a década de 2030, um sucessor do LHC com uma circunferência de até 100 km: quase quatro vezes o tamanho dos atuais túneis subterrâneos. Isso permitirá, com a tecnologia de ímã atual, a criação de um colisor de léptons que pode produzir ~ 1⁰⁴ vezes o número de partículas W, Z, H e t que foram produzidas por colisores anteriores e atuais e sondar as fronteiras fundamentais que impulsionará nosso conhecimento como nunca antes. (ESTUDO CERN / FCC)

3.) O tamanho (fixo) do anel . Mantendo tudo igual, você sempre pode alcançar energias mais altas aumentando o tamanho do seu acelerador de partículas. Um raio maior significa que ímãs da mesma força e partículas da mesma carga e massa podem atingir energias mais altas: dobre o raio e você dobra as energias que pode alcançar. De fato, as principais diferenças entre o Tevatron (que atingiu ~2 TeV de energia por colisão) e o Large Hadron Collider (que atinge ~14 TeV) são:

• as forças de seus campos magnéticos (de ~ 4,2 Tesla a ~ 7,5 Tesla),
• e as circunferências de seus anéis (de ~6,3 km a ~27 km).

Quanto maior você fizer o seu anel, maior será a energia que poderá sondar o Universo. Isso significa que há mais energia disponível para a criação de partículas (via Einstein's E = mc² ), uma maior probabilidade de observar processos raros que são suprimidos em energias mais baixas e uma maior probabilidade de descobrir algo fundamentalmente novo. Enquanto os teóricos frequentemente discutem sobre o que é ou não provável que esteja presente além da fronteira atualmente conhecida, os experimentalistas conhecem uma verdade muito mais fundamental: a natureza simplesmente é do jeito que é e muitas vezes desafia nossas expectativas. Se queremos saber o que está lá fora, a única maneira de descobrir é olhando.

Certamente há uma nova física além do Modelo Padrão, mas pode não aparecer até energias muito, muito maiores do que um colisor terrestre poderia alcançar. Ainda assim, se esse cenário é verdadeiro ou não, a única maneira que saberemos é olhar. Enquanto isso, as propriedades das partículas conhecidas podem ser melhor exploradas com um futuro colisor do que qualquer outra ferramenta. O LHC não conseguiu revelar, até agora, nada além das partículas conhecidas do Modelo Padrão. (UNIVERSE-REVIEW.CA)

Se qualquer um desses três obstáculos pudesse ser superado - se pudéssemos aumentar a força máxima dos eletroímãs, se pudéssemos aumentar a razão carga-massa do próton (mas não muito), ou se pudéssemos aumentar o tamanho da trilha circular que as partículas seguem - poderíamos alcançar energias mais altas em nossas colisões de partículas e ultrapassar a fronteira atualmente explorada da física experimental. Tal como está hoje, a melhor esperança que temos para encontrar uma nova física no Grande Colisor de Hádrons virá da coleta de mais dados, aumentando a taxa de colisão de partículas e executando essa taxa de colisão aumentada por longos períodos de tempo. Nossa esperança é que mais dados revelem um efeito sutil que indique algo novo além do esperado atualmente.

Ao longo da história, sempre que a tecnologia avançou a ponto de podermos construir um novo acelerador principal com mais de 5 vezes o limite de energia atual, fizemos exatamente isso, revelando cada vez mais o Universo de alta energia. Com eletroímãs modestamente mais fortes, mas um acelerador muito maior - de 80 a 100 km de circunferência - a proposta Futuro Colisor Circular pode ser exatamente isso, levando-nos à fronteira de ~100 TeV pela primeira vez. Embora experimentos inteligentes de baixa energia muitas vezes possam revelar um novo efeito sutil se forem projetados corretamente, não há substituto para uma solução de força bruta para todos os fins. Se queremos fazer as partículas irem mais rápido, criando colisões com energias maiores do que nunca, é absolutamente imperativo dar o próximo passo.

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

Compartilhar: