A física de partículas tem futuro na Terra?
O interior do LHC, onde os prótons se cruzam a 299.792.455 m/s, apenas 3 m/s abaixo da velocidade da luz. Por mais poderoso que seja o LHC, o SSC cancelado poderia ter sido três vezes mais poderoso e pode ter revelado segredos da natureza que são inacessíveis no LHC. (CERN)
Se não ultrapassarmos as fronteiras da física, nunca aprenderemos o que está além de nossa compreensão atual.
Em um nível fundamental, do que é feito o nosso Universo? Essa questão impulsionou a física por séculos. Mesmo com todos os avanços que fizemos, ainda não sabemos tudo. Enquanto o Grande Colisor de Hádrons descobriu o bóson de Higgs e completou o Modelo Padrão no início desta década, o conjunto completo de partículas que conhecemos representa apenas 5% da energia total do Universo.
Não sabemos o que é a matéria escura, mas a evidência indireta para isso é esmagadora . Mesmo negócio com energia escura . Ou perguntas como por que as partículas fundamentais tem as massas que eles fazem , ou porque neutrinos não são sem massa , ou por que nosso Universo é feito de matéria e não de antimatéria . Nossas ferramentas e pesquisas atuais não responderam a esses grandes quebra-cabeças existenciais da física moderna. Física de partículas agora enfrenta um dilema incrível : tente mais ou desista.
O Modelo Padrão da física de partículas é responsável por três das quatro forças (exceto a gravidade), o conjunto completo de partículas descobertas e todas as suas interações. Se existem partículas e/ou interações adicionais que podem ser descobertas com colisores que podemos construir na Terra é um assunto discutível, mas só saberemos a resposta se explorarmos além da fronteira de energia conhecida. (PROJETO DE EDUCAÇÃO FÍSICA CONTEMPORÂNEA / DOE / NSF / LBNL)
As partículas e interações que conhecemos são todas governadas pelo Modelo Padrão da física de partículas, mais gravidade, matéria escura e energia escura. Em experimentos de física de partículas, no entanto, é apenas o Modelo Padrão que importa. Os seis quarks, léptons e neutrinos carregados, glúons, fótons, bósons de calibre e bóson de Higgs são tudo o que ele prevê, e cada partícula não foi apenas descoberta, mas suas propriedades foram medidas.
Como resultado, o Modelo Padrão talvez seja vítima de seu próprio sucesso. As massas, spins, tempos de vida, forças de interação e taxas de decaimento de cada partícula e antipartícula foram todos medidos e concordam com as previsões do Modelo Padrão em cada turno. Existem enormes quebra-cabeças sobre o nosso Universo, e a física de partículas não nos deu indicações experimentais de onde ou como eles podem ser resolvidos.
As partículas e antipartículas do Modelo Padrão já foram detectadas diretamente, com a última resistência, o bóson de Higgs, caindo no LHC no início desta década. Todas essas partículas podem ser criadas nas energias do LHC, e as massas das partículas levam a constantes fundamentais que são absolutamente necessárias para descrevê-las completamente. Essas partículas podem ser bem descritas pela física das teorias quânticas de campo subjacentes ao Modelo Padrão, mas elas não descrevem tudo, como a matéria escura. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)
Pode ser tentador, portanto, presumir que construir um colisor de partículas superior seria um esforço infrutífero. De fato, esse pode ser o caso. O Modelo Padrão da física de partículas tem previsões explícitas para os acoplamentos que ocorrem entre as partículas. Embora existam vários parâmetros que permanecem mal determinados no momento, é concebível que não haja novas partículas que um colisor de próxima geração possa revelar.
A partícula mais pesada do Modelo Padrão é o quark top, que precisa de aproximadamente 180 GeV de energia para ser criado. Embora o Large Hadron Collider possa atingir energias de 14 TeV (cerca de 80 vezes a energia necessária para criar um top quark), pode não haver novas partículas presentes a menos que alcancemos energias superiores a 1.000.000 vezes maiores. Esse é o grande medo de muitos: a possível existência de um chamado deserto de energia se estendendo por muitas ordens de grandeza.
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 )
Mas também é possível que haja nova física presente em uma escala modesta além de onde investigamos atualmente. Existem muitas extensões teóricas para o Modelo Padrão que são bastante genéricas, onde os desvios das previsões do Modelo Padrão podem ser detectados por um colisor de próxima geração.
Se quisermos saber qual é a verdade sobre o nosso Universo, temos que olhar , e isso significa empurrando as atuais fronteiras da física de partículas para um território desconhecido . No momento, a comunidade está debatendo entre várias abordagens, cada uma com seus prós e contras. O cenário de pesadelo, no entanto, não é que vamos procurar e não encontrar nada. É que as lutas internas e a falta de unidade condenarão a física experimental para sempre e que não teremos um colisor de próxima geração.
Um novo acelerador hipotético, seja um longo linear ou um que habita um grande túnel sob a Terra, poderia diminuir a sensibilidade a novas partículas que os colisores anteriores e atuais podem alcançar. Mesmo assim, não há garantia de que encontraremos algo novo, mas com certeza não encontraremos nada de novo se não tentarmos . (COLABORAÇÃO ILC)
Quando se trata de decidir qual colisor construir a seguir, existem duas abordagens genéricas: um colisor de léptons (onde elétrons e pósitrons são acelerados e colidem) e um colisor de prótons (onde prótons são acelerados e colididos). Os colisores de léptons têm as vantagens de:
- o fato de que os léptons são partículas pontuais, em vez de partículas compostas,
- 100% da energia dos elétrons colidindo com os pósitrons pode ser convertida em energia para novas partículas,
- o sinal é limpo e muito mais fácil de extrair,
- e a energia é controlável, o que significa que podemos escolher ajustar a energia para um valor específico e maximizar a chance de criar uma partícula específica.
Os colisores Lepton, em geral, são ótimos para estudos de precisão, e não temos um de ponta desde que o LEP entrou em operação há quase 20 anos.
Em várias energias de centro de massa em colisores de elétron/pósitron (lépton), vários mecanismos de produção de Higgs podem ser alcançados em energias explícitas. Enquanto um colisor circular pode atingir taxas de colisão e taxas de produção muito maiores de partículas W, Z, H e t, um colisor linear longo o suficiente pode atingir energias mais altas, permitindo-nos sondar os mecanismos de produção de Higgs que um colisor circular não pode alcançar. Esta é a principal vantagem que os colisores de léptons lineares possuem; se eles são apenas de baixa energia (como o ILC proposto), não há razão para não circular. (H. ABRAMOWICZ ET AL., EUR. PHYS. J. C 77, 475 (2017))
É muito improvável, a menos que a natureza seja extremamente gentil, que um colisor de léptons descubra diretamente uma nova partícula, mas pode ser a melhor aposta para descobrir indiretamente evidências de partículas além do Modelo Padrão. Já descobrimos partículas como os bósons W e Z, o bóson de Higgs e o quark top, mas um colisor de léptons poderia produzi-los em grande abundância e através de uma variedade de canais.
Quanto mais eventos de interesse criamos, mais profundamente podemos sondar o Modelo Padrão. O Grande Colisor de Hádrons, por exemplo, será capaz de dizer se o Higgs se comporta de forma consistente com o Modelo Padrão até cerca de 1%. Em uma ampla série de extensões do Modelo Padrão, são esperados desvios de ~0,1%, e o futuro colisor de léptons correto fornecerá as melhores restrições físicas possíveis.
Os canais de decaimento de Higgs observados versus o acordo do Modelo Padrão, com os dados mais recentes do ATLAS e do CMS incluídos. O acordo é surpreendente e, ao mesmo tempo, frustrante. Na década de 2030, o LHC terá aproximadamente 50 vezes mais dados, mas as precisões em muitos canais de decaimento ainda serão conhecidas apenas por alguns por cento. Um futuro colisor poderia aumentar essa precisão em várias ordens de magnitude, revelando a existência de novas partículas em potencial. (ANDRÉ DAVID, VIA TWITTER)
Esses estudos de precisão podem ser incrivelmente sensíveis à presença de partículas ou interações que ainda não descobrimos. Quando criamos uma partícula, ela tem um certo conjunto de razões de ramificação, ou probabilidades de decair de várias maneiras. O Modelo Padrão faz previsões explícitas para essas proporções, portanto, se criarmos um milhão, ou um bilhão, ou um trilhão dessas partículas, podemos sondar essas proporções de ramificação com precisões sem precedentes.
Se você deseja melhores restrições físicas, precisa de mais dados e dados melhores. Não são apenas as considerações técnicas que devem determinar qual colisor vem a seguir, mas também onde e como você pode obter o melhor pessoal, a melhor infraestrutura e suporte e onde você pode construir um (ou aproveitar um já existente) forte comunidade de física experimental e teórica.
A ideia de um colisor linear de léptons tem sido cogitada na comunidade de física de partículas como a máquina ideal para explorar a física pós-LHC por muitas décadas, mas isso foi sob a suposição de que o LHC encontraria uma nova partícula além do Higgs. Se quisermos fazer testes de precisão de partículas do Modelo Padrão para buscar indiretamente novas físicas, um colisor linear pode ser uma opção inferior a um colisor circular de léptons. (REI HORI/KEK)
Existem duas classes gerais propostas para um colisor de léptons: um colisor circular e um colisor linear. Os colisores lineares são simples: acelere suas partículas em linha reta e colida-as no centro. Com a tecnologia de acelerador ideal, um colisor linear de 11 km de comprimento poderia atingir energias de 380 GeV: o suficiente para produzir o W, Z, Higgs ou top em grande abundância. Com um colisor linear de 29 km, você pode atingir energias de 1,5 TeV, e com um colisor de 50 km, 3 TeV, embora os custos aumentem tremendamente para acompanhar comprimentos maiores.
Os colisores lineares são um pouco mais baratos que os colisores circulares para a mesma energia, porque você pode cavar um túnel menor para atingir as mesmas energias, e eles não sofrem perdas de energia devido à radiação síncrotron, permitindo que atinjam energias potencialmente mais altas. No entanto, os colisores circulares oferecem uma enorme vantagem: podem produzir um número muito maior de partículas e colisões.
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. (ESTUDO CERN / FCC)
Enquanto um colisor linear pode ser capaz de produzir 10 a 100 vezes mais colisões que um colisor de léptons de geração anterior como o LEP (dependente de energias), uma versão circular pode superar isso facilmente: produzindo 10.000 vezes mais colisões nas energias necessárias para crie o bóson Z.
Embora os colisores circulares tenham taxas de eventos substancialmente mais altas do que os colisores lineares nas energias relevantes que também produzem partículas de Higgs, eles começam a perder sua vantagem nas energias necessárias para produzir quarks top e não podem ir além disso, onde os colisores lineares se tornam dominantes.
Como todos os processos de decaimento e produção que ocorrem nessas partículas pesadas são dimensionados como o número de colisões ou a raiz quadrada do número de colisões, um colisor circular tem o potencial de sondar a física com muitas vezes a sensibilidade de um colisor linear.
Vários dos vários colisores de léptons, com sua luminosidade (uma medida da taxa de colisão e o número de detecções que se pode fazer) em função da energia de colisão do centro de massa. Observe que a linha vermelha, que é uma opção de colisor circular, oferece muito mais colisões do que a versão linear, mas fica menos superior à medida que a energia aumenta. Além de cerca de 380 GeV, os colisores circulares não podem alcançar, e um colisor linear como o CLIC é a opção muito superior. (SLIDES DE RESUMO DA REUNIÃO DE ESTRATÉGIA DE GRANADA / LUCIE LINSSEN (COMUNICAÇÃO PRIVADA))
O FCC-ee proposto, ou o estágio lépton de o Futuro Colisor Circular , descobriria realisticamente evidências indiretas de quaisquer novas partículas que se acoplassem ao W, Z, Higgs ou quark top com massas de até 70 TeV: cinco vezes a energia máxima do Grande Colisor de Hádrons.
O outro lado de um colisor de léptons é um colisor de prótons, que - nessas altas energias - é essencialmente um colisor glúon-glúon. Isso não pode ser linear; deve ser circular.
A escala do futuro Colisor Circular proposto (FCC), comparada com o LHC atualmente no CERN e o Tevatron, anteriormente operacional no Fermilab. O Future Circular Collider é talvez a proposta mais ambiciosa para um colisor de próxima geração até o momento, incluindo opções de lépton e próton como várias fases de seu programa científico proposto. (PCHARITO / WIKIMEDIA COMMONS)
Existe realmente apenas um local adequado para isso: o CERN, pois não precisa apenas de um novo e enorme túnel, mas de toda a infraestrutura das etapas anteriores, que só existem no CERN. (Eles poderiam ser construídos em outro lugar, mas o custo seria mais caro do que um local onde a infraestrutura como o LHC e colisores anteriores como o SPS já existem.)
Assim como o LHC está atualmente ocupando o túnel anteriormente ocupado pelo LEP, um colisor circular de léptons poderia ser substituído por um colisor circular de prótons de próxima geração, como o FCC-pp proposto. No entanto, você não pode executar um colisor de prótons exploratório e um colisor de léptons de precisão simultaneamente; você deve desativar um para terminar o outro.
O detector CMS no CERN, um dos dois detectores de partículas mais poderosos já montados. A cada 25 nanossegundos, em média, um novo grupo de partículas colide no ponto central deste detector. Um detector de última geração, seja para um colisor de prótons ou léptons, pode ser capaz de registrar ainda mais dados, mais rápido e com maior precisão do que os detectores CMS ou ATLAS podem atualmente. (CERN)
É muito importante tomar a decisão certa, pois não sabemos quais segredos a natureza guarda além das fronteiras já exploradas. Ir para energias mais altas desbloqueia o potencial para novas descobertas diretas, enquanto ir para maiores precisões e estatísticas maiores pode fornecer evidências indiretas ainda mais fortes da existência de nova física.
Os colisores lineares do primeiro estágio vão custar entre 5 e 7 bilhões de dólares, incluindo o túnel, enquanto um colisor de prótons com quatro vezes o raio do LHC, com ímãs duas vezes mais fortes, 10 vezes a taxa de colisão e computação e criogenia de última geração pode custar um total de até US$ 22 bilhões, oferecendo um salto tão grande sobre o LHC quanto o LHC sobre o Tevatron. Algum dinheiro poderia ser economizado se construirmos os colisores circulares de léptons e prótons um após o outro no mesmo túnel, o que essencialmente forneceria um futuro para a física de partículas experimental depois que o LHC terminar de funcionar no final da década de 2030.
As partículas do Modelo Padrão e suas contrapartes supersimétricas. Pouco menos de 50% dessas partículas foram descobertas e pouco mais de 50% nunca mostraram um traço de sua existência. A supersimetria é uma ideia que espera melhorar o Modelo Padrão, mas ainda precisa fazer previsões bem-sucedidas sobre o Universo na tentativa de suplantar a teoria predominante. No entanto, novos colisores não estão sendo propostos para encontrar supersimetria ou matéria escura, mas para realizar pesquisas genéricas. Independentemente do que eles encontrarem, aprenderemos algo novo sobre o próprio Universo. (CLAIRE DAVID/CERN)
A coisa mais importante a ser lembrada em tudo isso é que não estamos simplesmente continuando a procurar supersimetria, matéria escura ou qualquer extensão específica do Modelo Padrão. Temos uma série de problemas e quebra-cabeças que indicam que deve haver uma nova física além do que entendemos atualmente, e nossa curiosidade científica nos obriga a olhar. Ao escolher qual máquina construir, é vital escolher a máquina com melhor desempenho: aquelas com o maior número de colisões nas energias que estamos interessados em sondar.
Independentemente de quais projetos específicos a comunidade escolher, haverá compensações. Um colisor linear de léptons sempre pode atingir energias mais altas do que um circular, enquanto um circular sempre pode criar mais colisões e atingir precisões mais altas. Ele pode coletar a mesma quantidade de dados em um décimo do tempo e sondar efeitos mais sutis, ao custo de um alcance de energia menor.
Este diagrama exibe a estrutura do modelo padrão (de uma forma que exibe os relacionamentos e padrões principais de forma mais completa e menos enganosa do que na imagem mais familiar baseada em um quadrado de partículas 4×4). Em particular, este diagrama mostra todas as partículas no Modelo Padrão (incluindo seus nomes de letras, massas, spins, lateralidade, cargas e interações com os bósons de calibre: ou seja, com as forças forte e eletrofraca). Ele também descreve o papel do bóson de Higgs e a estrutura da quebra de simetria eletrofraca, indicando como o valor esperado do vácuo de Higgs quebra a simetria eletrofraca e como as propriedades das partículas restantes mudam como consequência. Observe que o bóson Z se acopla a quarks e léptons e pode decair através de canais de neutrinos. (LATHAM BOYLE E MARDUS DO WIKIMEDIA COMMONS)
Será sucesso? Independentemente do que encontramos, essa resposta é inequivocamente sim. Na física experimental, o sucesso não equivale a encontrar algo, como alguns podem erroneamente acreditar. Em vez disso, o sucesso significa saber algo, pós-experimento, que você não sabia antes de fazer o experimento. Para ir além das fronteiras atualmente conhecidas, idealmente queremos um lépton e um colisor de prótons, nas mais altas energias e taxas de colisão que pudermos alcançar.
Não há dúvida de que novas tecnologias e spinoffs virão de qualquer colisor ou colisores que venham a seguir, mas não é por isso que fazemos isso. Estamos atrás dos segredos mais profundos da natureza, aqueles que permanecerão indescritíveis mesmo após o término do Grande Colisor de Hádrons. Temos os recursos técnicos, o pessoal e o conhecimento para construí-lo na ponta dos dedos. Tudo o que precisamos é de vontade política e financeira, como civilização, para buscar as verdades definitivas sobre a natureza.
Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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