O Grande Colisor de Hádrons Acidentalmente Descartou As Evidências Para Novas Físicas?

O detector de partículas ATLAS do Large Hadron Collider (LHC) no Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (CERN) em Genebra, Suíça. Construído dentro de um túnel subterrâneo de 27 km (17 milhas) de circunferência, o LHC do CERN é o maior e mais poderoso colisor de partículas do mundo e a maior máquina individual do mundo. Ele só pode registrar uma pequena fração dos dados que coleta. (Colaboração CERN / ATLAS / Getty Images)

O cenário de pesadelo de não haver novas partículas ou interações no LHC está se tornando realidade. E pode ser nossa própria culpa.


No Grande Colisor de Hádrons, prótons circulam simultaneamente no sentido horário e anti-horário, colidindo uns com os outros enquanto se movem a 99,9999991% da velocidade da luz cada. Em dois pontos específicos projetados para ter o maior número de colisões, enormes detectores de partículas foram construídos e instalados: os detectores CMS e ATLAS. Depois de bilhões e bilhões de colisões nessas enormes energias, o LHC nos trouxe mais longe em nossa busca pela natureza fundamental do Universo e nossa compreensão dos blocos elementares de construção da matéria.



No início deste mês, o LHC comemorou 10 anos de operação, com a descoberta do bóson de Higgs marcando sua maior conquista. No entanto, apesar desses sucessos, nenhuma nova partícula, interação, decaimento ou física fundamental foi encontrada. O pior de tudo é isso: a maioria dos dados do CERN do LHC foi descartada para sempre.



A CMS Collaboration, cujo detector é mostrado antes da montagem final aqui, divulgou seus resultados mais recentes e abrangentes de todos os tempos. Não há indicação de física além do Modelo Padrão nos resultados . (CERN/MAXIMLIEN BRICE)

Esta é uma das peças menos compreendidas do quebra-cabeça da física de alta energia, pelo menos entre o público em geral. O LHC não apenas perdeu a maioria de seus dados: perdeu 99,997% deles. Isso mesmo; de cada um milhão de colisões que ocorrem no LHC, apenas cerca de 30 delas têm todos os seus dados anotados e registrados.



É algo que aconteceu por necessidade, devido às limitações impostas pelas próprias leis da natureza, bem como o que a tecnologia pode fazer atualmente. Mas ao tomar essa decisão, há um tremendo medo, ainda mais palpável pelo fato de que, além do tão esperado Higgs, nada de novo foi descoberto. O medo é este: que haja uma nova física esperando para ser descoberta, mas perdemos isso ao jogar esses dados fora.

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. Este é um evento interessante, mas para cada evento que registramos, um milhão de outros são descartados. (COLABORAÇÃO ATLAS/CERN)

Nós não tivemos uma escolha no assunto, realmente. Algo tinha que ser jogado fora. A maneira como o LHC funciona é acelerando prótons o mais próximo possível da velocidade da luz em direções opostas e esmagando-os. É assim que os aceleradores de partículas funcionam melhor há gerações. De acordo com Einstein, a energia de uma partícula é uma combinação de sua massa de repouso (que você pode reconhecer como E = mc² ) e a energia de seu movimento, também conhecida como energia cinética. Quanto mais rápido você for – ou com mais precisão, quanto mais próximo estiver da velocidade da luz – mais energia por partícula você poderá alcançar.



No LHC, colidimos prótons a 299.792.455 m/s, apenas 3 m/s abaixo da velocidade da própria luz. Ao esmagá-los juntos em velocidades tão altas, movendo-se em direções opostas, tornamos possível a existência de partículas impossíveis de existir.

O interior do LHC, onde os prótons se cruzam a 299.792.455 m/s, apenas 3 m/s abaixo da velocidade da luz. (JULIAN HERZOG / C.C.A-BY-3.0)

A razão é esta: todas as partículas (e antipartículas) que podemos criar possuem uma certa quantidade de energia inerente a elas, na forma de sua massa em repouso. Quando você colide duas partículas, parte dessa energia tem que ir para os componentes individuais dessas partículas, tanto sua energia de repouso quanto sua energia cinética (ou seja, sua energia de movimento).



Mas se você tiver energia suficiente, parte dessa energia também pode ser usada na produção de novas partículas! Este é o lugar onde E = mc² fica realmente interessante: não apenas todas as partículas com massa ( m ) tem uma energia ( E ) inerente à sua existência, mas se você tiver energia suficiente disponível, poderá criar novas partículas. No LHC, a humanidade conseguiu colisões com mais energia disponível para a criação de novas partículas do que em qualquer outro laboratório da história.

Havia uma enorme variedade de potenciais novas assinaturas físicas que os físicos têm procurado no LHC, de dimensões extras a matéria escura a partículas supersimétricas e micro-buracos negros. Apesar de todos os dados que coletamos dessas colisões de alta energia, nenhum desses cenários mostrou evidências que apoiem sua existência. (CERN / EXPERIMENTO ATLAS)



A energia por partícula é de cerca de 7 TeV, o que significa que cada próton atinge aproximadamente 7.000 vezes sua energia de massa de repouso na forma de energia cinética. Mas as colisões são raras e os prótons não são apenas minúsculos, eles são principalmente espaços vazios. Para obter uma grande probabilidade de colisão, você precisa colocar mais de um próton por vez; você injeta seus prótons em cachos em vez disso.

Em plena intensidade , isso significa que há muitos pequenos grupos de prótons indo no sentido horário e anti-horário dentro do LHC sempre que está funcionando. Os túneis do LHC têm aproximadamente 26 quilômetros de extensão, com apenas 7,5 metros (ou cerca de 25 pés) separando cada grupo. À medida que esses feixes circulam, eles são comprimidos à medida que interagem no ponto médio de cada detector. A cada 25 nanossegundos, há uma chance de colisão.

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. (CERN)

Então, o que você faz? Você tem um pequeno número de colisões e registra todas? Isso é um desperdício de energia e dados potenciais.

Em vez disso, você bombeia prótons suficientes em cada grupo para garantir uma boa colisão toda vez que dois grupos passarem. E toda vez que você tem uma colisão, partículas atravessam o detector em todas as direções, acionando a complexa eletrônica e circuitos que nos permitem reconstruir o que foi criado, quando e onde no detector. É como uma explosão gigante, e somente medindo todos os pedaços de estilhaços que saem podemos reconstruir o que aconteceu (e quais coisas novas foram criadas) no ponto de ignição.

Um evento de bóson de Higgs visto no detector Compact Muon Solenoid no Large Hadron Collider. Essa colisão espetacular está 15 ordens de magnitude abaixo da energia de Planck, mas são as medições de precisão do detector que nos permitem reconstruir o que aconteceu no (e próximo) ponto de colisão. (COLABORAÇÃO CERN / CMS)

O problema que surge então, no entanto, é pegar todos esses dados e registrá-los. Os próprios detectores são grandes: 22 metros para CMS e 46 metros de comprimento para ATLAS. A qualquer momento, existem partículas que surgem de três colisões diferentes no CMS e seis colisões separadas no ATLAS. Para registrar os dados, há duas etapas que devem ocorrer:

  1. Os dados devem ser movidos para a memória do detector, que é limitada pela velocidade de seus componentes eletrônicos. Embora os sinais elétricos viajem quase à velocidade da luz, só podemos nos lembrar de cerca de 1 em 500 colisões.
  2. Os dados na memória precisam ser gravados em disco (ou algum outro dispositivo permanente), e esse é um processo muito mais lento do que armazenar dados na memória; decisões precisam ser tomadas sobre o que é mantido e o que é descartado.

Um diagrama esquemático de como os dados chegam, são acionados e analisados ​​e, eventualmente, enviados para armazenamento permanente. Este diagrama é para a colaboração ATLAS; os dados do CMS são ligeiramente diferentes . (CERN / ATLAS; AGRADECIMENTOS: KYLE CRANMER)

Agora, existem alguns truques que usamos para garantir que escolhemos nossos eventos com sabedoria. Analisamos uma variedade de fatores sobre a colisão imediatamente para determinar se vale a pena olhar mais de perto ou não: o que chamamos de gatilho. Se você passar no gatilho, você passa para o próximo nível. (Uma pequena fração de dados não acionados também é salva, caso haja um sinal interessante que não pensamos em acionar.) Em seguida, uma segunda camada de filtros e acionadores é aplicada; se um evento for interessante o suficiente para ser salvo, ele entrará em um buffer para garantir que seja gravado no armazenamento. Podemos garantir que todos os eventos sinalizados como interessantes sejam salvos, juntamente com uma pequena fração de eventos desinteressantes.

Por isso, com a necessidade de realizar essas duas etapas, apenas 0,003% do total de dados pode ser salvo para análise.

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. (A COLABORAÇÃO ATLAS / CERN)

Como sabemos que estamos salvando os dados certos? Aqueles em que é mais provável que estejamos criando novas partículas, vendo a importância de novas interações ou observando nova física?

Quando você tem colisões próton-próton, a maior parte do que sai são partículas normais, no sentido de que elas são compostas quase exclusivamente de quarks up-and-down. (Isso significa partículas como prótons, nêutrons e píons.) E a maioria das colisões são colisões de relance, o que significa que a maioria das partículas acaba atingindo o detector na direção para frente ou para trás.

Aceleradores de partículas na Terra, como o LHC no CERN, podem acelerar partículas muito próximas – mas não exatamente – a velocidade da luz. Como os prótons são partículas compostas e estão se movendo tão perto da velocidade da luz, a maioria das colisões de partículas resulta em espalhamento de partículas para frente ou para trás, não eventos transversais. (LHC/CERN)

Então, para dar esse primeiro passo, tentamos procurar trilhas de partículas de energias relativamente altas que vão na direção transversal, em vez de para frente ou para trás. Tentamos colocar na memória do detector os eventos que achamos que tiveram mais energia disponível ( E ) para criar novas partículas, de maior massa ( m ) possível. Em seguida, realizamos rapidamente uma varredura computacional do que está na memória do detector para ver se vale a pena gravar em disco ou não. Se optarmos por fazê-lo, ele pode ser colocado na fila para entrar em armazenamento permanente.

O resultado geral é que cerca de 1.000 eventos, a cada segundo, podem ser salvos. Isso pode parecer muito, mas lembre-se: aproximadamente 40.000.000 cachos colidem a cada segundo.

Os rastros de partículas emanados de uma colisão de alta energia no LHC em 2014. Apenas 1 em 30.000 dessas colisões foram registradas e salvas; a maioria foi perdida. (colaboração CERN / ATLAS)

Achamos que estamos fazendo a coisa certa ao escolher salvar o que estamos salvando, mas não podemos ter certeza. Em 2010, o CERN Data Center ultrapassou um enorme marco de dados: 10 Petabytes de dados. Até o final de 2013, eles ultrapassaram 100 Petabytes de dados; em 2017, eles ultrapassaram o marco de 200 Petabytes. No entanto, sabemos que jogamos fora – ou não registramos – cerca de 30.000 vezes essa quantia. Podemos ter coletado centenas de Petabytes, mas descartamos e perdemos para sempre muitos Zettabytes de dados: mais de a quantidade total de dados da Internet criado em um ano.

A quantidade total de dados coletados pelo LHC supera em muito a quantidade total de dados enviados e recebidos pela Internet nos últimos 10 anos. Mas apenas 0,003% desses dados foram anotados e salvos; o resto se foi para sempre. (Getty Images)

É eminentemente possível que o LHC tenha criado novas partículas, visto evidências de novas interações e observado e registrado todos os sinais de nova física. E também é possível, devido à nossa ignorância do que estávamos procurando, jogarmos tudo fora e continuaremos a fazê-lo. O cenário de pesadelo - de nenhuma nova física além do Modelo Padrão - parece estar se tornando realidade. Mas o verdadeiro pesadelo é a possibilidade muito real de que a nova física esteja lá, construímos a máquina perfeita para encontrá-la, encontramos e nunca perceberemos por causa das decisões e suposições que fizemos . O verdadeiro pesadelo é que nos enganamos acreditando que o Modelo Padrão está certo, porque analisamos apenas 0,003% dos dados disponíveis. Achamos que tomamos a decisão inteligente de manter o que mantivemos, mas não podemos ter certeza. É possível que o pesadelo seja um que inconscientemente trouxemos para nós mesmos.


Esta peça foi atualizada graças à contribuição de Kyle Cranmer, Don Lincoln e Daniel Whiteson.

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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