Esqueça os elétrons e prótons; O múon instável pode ser o futuro da física de partículas
Os rastros de partículas que emanam de uma colisão de alta energia no LHC em 2014 mostram a criação de muitas novas partículas. É apenas por causa da natureza de alta energia dessa colisão que novas massas podem ser criadas. (USUÁRIO WIKIMEDIA COMMONS PCHARITO)
Os colisores elétron-pósitron ou próton-próton estão na moda. Mas o múon instável pode ser a chave para desbloquear a próxima fronteira.
Se você quiser sondar as fronteiras da física fundamental, você precisa colidir partículas em energias muito altas: com energia suficiente para criar as partículas instáveis e estados que não existem em nosso universo cotidiano de baixa energia. Contanto que você obedeça às leis de conservação do Universo e tenha energia livre suficiente à sua disposição, você pode criar qualquer partícula massiva (e/ou sua antipartícula) dessa energia via Einstein. E = mc² .
Tradicionalmente, existem duas estratégias para fazer isso.
- Colide elétrons movendo-se em uma direção com pósitrons movendo-se na direção oposta, ajustando seus feixes para qualquer energia que corresponda à massa de partículas que você deseja produzir.
- Colide prótons em uma direção com outros prótons ou antiprótons na outra, atingindo energias mais altas, mas criando um sinal muito mais confuso e menos controlável para extrair.
Um Prêmio Nobel, Carlo Rubbia, pediu aos físicos que construíssem algo inteiramente novo : um colisor de múons. É ambicioso e atualmente impraticável, mas pode ser o futuro da física de partículas.
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)
Acima, você pode ver as partículas e antipartículas do Modelo Padrão, que já foram todas descobertas. O Large Hadron Collider (LHC) do CERN descobriu o bóson de Higgs, o último reduto há muito procurado, no início desta década. Embora ainda haja muita ciência a ser feita no LHC – foram necessários apenas 2% de todos os dados que serão adquiridos até o final da década de 2030 – os físicos de partículas estão já olhando para a próxima geração de colisores futuros .
Todos os planos apresentados envolvem versões ampliadas de tecnologias existentes que foram usadas em aceleradores anteriores e/ou atuais. Sabemos como acelerar elétrons, pósitrons e prótons em linha reta. Sabemos como dobrá-los em um círculo e maximizar tanto a energia das colisões quanto o número de partículas colidindo por segundo. Versões maiores e mais energéticas das tecnologias existentes são a abordagem mais simples.
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)
Claro, existem vantagens e desvantagens para cada método que poderíamos usar. Você pode construir um colisor linear, mas a energia que você pode alcançar será limitada pela força com que você pode transmitir energia a essas partículas por unidade de distância, bem como por quanto tempo você constrói seu acelerador. A desvantagem é que, sem uma injeção contínua de partículas circulantes, os colisores lineares têm taxas de colisão mais baixas e demoram mais tempo para coletar a mesma quantidade de dados.
O outro estilo principal de colisor é o estilo atualmente usado no CERN: colisores circulares. Em vez de obter apenas um disparo contínuo para acelerar suas partículas antes de dar a oportunidade de colidir, você as acelera enquanto as dobra em um círculo, adicionando mais e mais partículas a cada feixe no sentido horário e anti-horário a cada revolução. Você configura seus detectores em pontos de colisão designados e mede o que sai.
Um evento de Higgs candidato no detector ATLAS. Observe como mesmo com as assinaturas claras e os rastros transversais, há uma chuva de outras partículas; isso se deve ao fato de que os prótons são partículas compostas. Este é apenas o caso porque o Higgs dá massa aos constituintes fundamentais que compõem essas partículas. Em energias suficientemente altas, as partículas atualmente mais fundamentais conhecidas ainda podem se separar. (A COLABORAÇÃO ATLAS / CERN)
Este é o método preferido, desde que seu túnel seja longo o suficiente e seus ímãs sejam fortes o suficiente, tanto para colisores de elétrons/pósitrons quanto de prótons/prótons. Comparado aos colisores lineares, com um colisor circular, você obtém
- maior número de partículas dentro do feixe a qualquer momento,
- segunda, terceira e milésima chance para partículas que erraram uma na outra na passagem anterior,
- e taxas de colisão muito maiores em geral, particularmente para partículas pesadas de baixa energia como o Z-boson.
Em geral, colisores de elétron/pósitron são melhores para estudos de precisão de partículas conhecidas, enquanto colisores de próton/próton são melhores para sondar a fronteira de energia.
Um evento candidato de quatro múons no detector ATLAS no Large Hadron Collider. Os rastros de múons/antimúons são destacados em vermelho, pois os múons de longa duração viajam mais longe do que qualquer outra partícula instável. As energias alcançadas pelo LHC são suficientes para criar bósons de Higgs; os colisores elétron-pósitron anteriores não conseguiram atingir as energias necessárias. (COLABORAÇÃO ATLAS/CERN)
Na verdade, se você comparar o LHC - que colide prótons com prótons - com o colisor anterior no mesmo túnel (LEP, que colidiu elétrons com pósitrons), você encontrará algo que surpreende a maioria das pessoas: as partículas dentro do LEP foram muito, muito mais rápido do que os do LHC!
Tudo neste Universo é limitado pela velocidade da luz no vácuo: 299.792.458 m/s. É impossível acelerar qualquer partícula massiva a essa velocidade, muito menos além dela. No LHC, as partículas são aceleradas até energias extremamente altas de 7 TeV por partícula. Considerando que a energia de repouso de um próton é de apenas 938 MeV (ou 0,000938 TeV), é fácil ver como ele atinge uma velocidade de 299.792.455 m/s.
Mas os elétrons e pósitrons no LEP foram ainda mais rápidos: 299.792.457,9964 m/s. No entanto, apesar dessas enormes velocidades, eles atingiram apenas energias de ~110 GeV, ou 1,6% das energias alcançadas no LHC.
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. (MAXIMILIEN BRICE (CERN))
Vamos entender como as partículas que colidem criam novas Primeiro, a energia disponível para criar novas partículas - a E dentro E = mc² – vem da energia do centro de massa das duas partículas em colisão. Em uma colisão próton-próton, são as estruturas internas que colidem: quarks e glúons. A energia de cada próton é dividida entre muitas partículas constituintes, e essas partículas também circulam dentro do próton. Quando dois deles colidem, a energia disponível para criar novas partículas ainda pode ser grande (até 2 ou 3 TeV), mas não é os 14 TeV completos.
Mas a ideia de elétron-pósitron é muito mais limpa: eles não são partículas compostas e não têm estrutura interna ou energia dividida entre os constituintes. Acelere um elétron e um pósitron na mesma velocidade em direções opostas, e 100% dessa energia vai para a criação de novas partículas. Mas não chegará nem perto de 14 TeV.
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 atingir essas energias, 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))
Embora os elétrons e pósitrons sejam muito mais rápidos do que os prótons, a quantidade total de energia que uma partícula possui é determinada por sua velocidade e também por sua massa original. Mesmo que os elétrons e pósitrons estejam muito mais próximos da velocidade da luz, são necessários quase 2.000 deles para formar tanta massa de repouso quanto um próton. Eles têm uma velocidade maior, mas uma massa de repouso muito menor e, portanto, uma energia geral menor.
Há boas razões físicas pelas quais, mesmo com o mesmo anel de raio e os mesmos campos magnéticos fortes para dobrá-los em um círculo, os elétrons não atingirão a mesma energia que os prótons: radiação síncrotron . Quando você acelera uma partícula carregada com um campo magnético, ela emite radiação, o que significa que ela transporta energia.
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 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')
A quantidade de energia irradiada depende da intensidade do campo (quadrado), da energia da partícula (quadrado), mas também da relação carga-massa inerente da partícula (até a quarta potência). Como os elétrons e pósitrons têm a mesma carga que o próton, mas apenas 1/1836 da massa de um próton, essa radiação síncrotron é o fator limitante para sistemas elétron-pósitron em um colisor circular. Você precisaria de um colisor circular de 100 km apenas para poder criar um par de quarks top-antitop em um acelerador de partículas de próxima geração usando elétrons e pósitrons.
É aí que entra a grande ideia de usar múons. Múons (e anti-múons) são primos dos elétrons (e pósitrons), sendo:
- partículas fundamentais (e não compostas),
- sendo 206 vezes mais massivo que um elétron (com uma relação carga-massa muito menor e muito menos radiação síncrotron),
- e também, ao contrário de elétrons ou pósitrons, sendo fundamentalmente instáveis.
Essa última diferença é o problema atual: os múons têm uma vida útil média de apenas 2,2 microssegundos antes de decair.
Um plano de projeto anterior (agora extinto) para um colisor múon-antimúon em escala real no Fermilab, a fonte do segundo acelerador de partículas mais poderoso do mundo atrás do LHC no CERN. (FERMILAB)
No futuro, no entanto, podemos ser capazes de contornar isso de qualquer maneira. Veja, a relatividade especial de Einstein nos diz que à medida que as partículas se aproximam cada vez mais da velocidade da luz, o tempo se dilata para aquela partícula no referencial do observador. Em outras palavras, se fizermos esse múon se mover rápido o suficiente, podemos aumentar drasticamente o tempo que ele vive antes de decair; esta é a mesma física por trás por que os múons de raios cósmicos passam por nós o tempo todo !
Se pudéssemos acelerar um múon até os mesmos 6,5 TeV de energia que os prótons do LHC alcançaram durante a coleta de dados anterior, esse múon viveria por 135.000 microssegundos em vez de 2,2 microssegundos: tempo suficiente para circundar o LHC cerca de 1.500 vezes antes de decair . Se você pudesse colidir um par múon/antimúon nessas velocidades, você teria 100% dessa energia - todos os 13 TeV dela - disponíveis para a criação de partículas.
O protótipo do módulo RF de 201 megahertz MICE, com a cavidade de cobre montada, é mostrado durante a montagem no Fermilab. Este aparelho pode focar e colimar um feixe de múons, permitindo que os múons sejam acelerados e sobrevivam por muito mais tempo do que 2,2 microssegundos. (Y. TORUN / IIT / FERMILAB HOJE)
A humanidade sempre pode optar por construir um anel maior ou investir na produção de ímãs de campo mais forte; essas são maneiras fáceis de ir para energias mais altas na física de partículas. Mas não há cura para a radiação síncrotron com elétrons e pósitrons; você teria que usar partículas mais pesadas em vez disso. Não há cura para a distribuição de energia entre várias partículas constituintes dentro de um próton; você teria que usar partículas fundamentais em vez disso.
O múon é a única partícula que poderia resolver esses dois problemas. A única desvantagem é que eles são instáveis e difíceis de manter vivos por muito tempo. No entanto, eles são fáceis de fazer: esmague um feixe de prótons em um pedaço de acrílico e você produzirá píons, que decairão em múons e antimúons. Acelere esses múons para alta energia e colime-os em feixes, e você pode colocá-los em um colisor circular.
Enquanto muitas partículas instáveis, tanto fundamentais quanto compostas, podem ser produzidas na física de partículas, apenas prótons, nêutrons (ligados em núcleos) e o elétron são estáveis, juntamente com suas contrapartes de antimatéria e o fóton. Todo o resto tem vida curta, mas se os múons puderem ser mantidos em velocidades altas o suficiente, eles podem viver o suficiente para forjar um colisor de partículas da próxima geração. (PROJETO DE EDUCAÇÃO EM FÍSICA CONTEMPORÂNEA (CPEP), US DEPARTMENT OF ENERGY / NSF / LBNL)
A colaboração MICE — que significa Experiência de Resfriamento por Ionização de Múons - continuou levar esta tecnologia a novos patamares , e pode tornar um colisor de múons uma possibilidade real para o futuro. O objetivo é revelar quaisquer segredos que a natureza possa ter esperando por nós, e esses são segredos que não podemos prever. Como O próprio Carlo Rubbia disse ,
essas escolhas fundamentais vêm da natureza, não de indivíduos. Os teóricos podem fazer o que quiserem, mas a natureza é quem decide no final.
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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