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Como o múon instável pode revolucionar a física de partículas experimental

A física de partículas precisa de um novo colisor para substituir o Grande Colisor de Hádrons. Múons, não elétrons ou prótons, podem ser a chave.

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 ainda existem muitos quebra-cabeças que permanecem sem resposta, como a ausência observada de forte violação de CP, com o Modelo Padrão em sua Forma Atual. (Crédito: Projeto de Educação Física Contemporânea/CPEP, DOE/NSF/LBNL)

Principais conclusões

• Quando se trata de colisores de partículas, elétrons e prótons têm limitações com base em suas propriedades.
• Os prótons são partículas compostas, com energias divididas entre seus componentes, enquanto os elétrons são luz, e emitem radiação quando você os curva em campos magnéticos.
• O múon, apesar de sua vida inerentemente pequena de apenas 2,2 microssegundos, pode oferecer o melhor dos dois mundos, revelando o Universo como nem prótons nem elétrons podem.

Se você quiser descobrir todas as partículas que existem fundamentalmente, sua melhor aposta é esmagar as partículas, sob condições controladas de laboratório em energias extremamente altas. Sempre que duas partículas colidem, elas precisam conservar energia e momento, bem como outras propriedades quânticas que têm leis de conservação associadas. No entanto, muitas vezes há uma liberdade que acompanha qualquer colisão em particular: a liberdade de criar novas partículas. Desde que todas as leis de conservação relevantes sejam obedecidas, o único limite para o que você pode criar é estabelecido pela equação mais famosa de Einstein: E = m^dois .

Quanto mais energia você tiver disponível para a criação de partículas, maior será seu potencial para descobrir partículas novas, instáveis ​​e massivas. Essa mesma técnica – de esmagar partículas, construir um detector em torno do ponto de colisão, medir o que sai e reconstruir o que criamos – tem sido a marca registrada da física do acelerador por mais de meio século. Tradicionalmente, essas colisões envolvem elétrons ou prótons, bem como (às vezes) suas antipartículas.

Ambas são ótimas abordagens, mas vêm com limitações fundamentais. Se quisermos superá-los de alguma forma, além da pura força bruta, um candidato surpreendente, o múon instável, oferece uma possibilidade como nenhuma outra. Aqui está o porquê.

O interior do LHC, onde os prótons se cruzam a 299.792.455 m/s, apenas 3 m/s abaixo da velocidade da luz. Aceleradores de partículas como o LHC consistem em seções de cavidades de aceleração, onde campos elétricos são aplicados para acelerar as partículas no interior, bem como porções de dobra de anel, onde campos magnéticos são aplicados para direcionar as partículas em movimento rápido para a próxima cavidade de aceleração ou um ponto de colisão. ( Crédito : Maximilien Brice e Julien Marius Ordan, CERN)

Como funcionam os aceleradores de partículas

Em um nível muito simples, a física de partículas de alta energia se baseia em dois princípios desenvolvidos em 1800: como os campos elétricos e os campos magnéticos afetam as partículas carregadas.

• Quando você aplica um campo elétrico a uma partícula carregada, ela acelera essa partícula ao longo da direção do campo elétrico, aumentando sua energia cinética no processo.
• Quando você aplica um campo magnético a uma partícula carregada, ela acelera essa partícula mantendo sua velocidade a mesma, mas mudando sua direção: perpendicular ao campo magnético e à direção do movimento da partícula.

Juntos, esses princípios permitem que você construa um acelerador de partículas de duas maneiras. A primeira é a mais direta: você pode construir um acelerador linear, onde você inicia duas partículas em extremidades opostas de uma longa e reta pista, acelera-as com campos elétricos, colime-as com campos magnéticos e faz com que colidam em velocidades iguais, próximo à velocidade da luz, em direções opostas. Um detector situado ao redor do ponto de colisão pode observar o que sai.

Os rastros de partículas que emanam de uma colisão de alta energia no LHC em 2012 mostram a criação de muitas novas partículas. Ao construir um detector sofisticado em torno do ponto de colisão de partículas relativísticas, as propriedades do que ocorreu e foi criado no ponto de colisão podem ser reconstruídas. ( Crédito : Panos Charitos / usuário do Wikimedia Commons PCharito)

Este método, no entanto, é severamente limitado por questões de custo e engenharia. Quando digo que você precisa de um acelerador linear, quero dizer linear: você precisa que ele vá em linha reta. Mas a Terra é curva, e isso se torna um problema muito grande para construir algo reto quando você chega a um tamanho de mais de alguns quilômetros.

Por exemplo, se você quiser construir uma pista de 20 km (cerca de 12 milhas) de comprimento, a diferença de altura entre cada ponta do acelerador e o centro do acelerador seria de apenas 8 metros, ou cerca de 26 pés. Você pode imaginar cavar tão fundo no subsolo ou sustentar as bordas do acelerador acima do solo sem muita dificuldade. Isso lhe daria ~ 10 km para acelerar cada uma de suas partículas antes que elas se encontrassem no meio, e por mais forte que você pudesse fazer, seu campo elétrico determinaria a energia de cada partícula.

Mas agora digamos que você queira aumentar sua energia para sondar o que não podia sondar anteriormente. O que você faria? Para ganhar uma ordem de magnitude de energia, você construiria um acelerador 10 vezes maior. Só que agora, em vez de um deslocamento de 8 metros (26 pés), você teria um deslocamento que é 100 vezes maior: cerca de 800 metros (2.600 pés), ou cerca de meia milha. É por esse motivo que os aceleradores lineares, em sua maioria, saíram de moda há muito tempo.

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 diferente 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, pois as limitações de comprimento em um colisor linear são bastante rígidas. ( Crédito : Rei Hori/KEK)

Em vez disso, nossos aceleradores de partículas modernos mais poderosos são construídos com uma forma circular, em vez de linear. A ideia é a seguinte:

• há porções retas da pista, e é aí que os campos elétricos são aplicados, acelerando as partículas na direção direta e aumentando suas energias cinéticas,
• ao longo das partes curvas da pista, campos magnéticos são aplicados, dobrando as partículas em uma forma circular e mudando suas direções, sem lhes custar nenhuma velocidade ou energia cinética no processo.

À medida que as partículas se aproximam cada vez mais do limite máximo de velocidade, a velocidade da luz, você precisa intensificar os campos magnéticos para mantê-los dobrando no mesmo círculo; uma velocidade mais alta requer um campo magnético mais forte para produzir um círculo do mesmo raio. Em um sentido muito real, então, é simplesmente o tamanho do seu acelerador de partículas e a força do seu campo magnético que determinam principalmente a energia que suas partículas podem obter.

Em ambos os casos, tudo o que você precisa fazer é comprimi-los magneticamente no centro do seu detector e eles colidirão. Contanto que você possa detectar as propriedades do que sai, você pode reconstruir o que aconteceu no ponto de colisão, dando a você a capacidade de detectar qualquer coisa que você criou, o que, por sua vez, é limitado apenas pela energia das partículas em colisão e de Einstein E = m^dois .

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. ( Crédito : Chung-Li Dong et al., SPIE)

O problema dos elétrons

Os elétrons e sua contraparte antipartícula, os pósitrons, parecem ser o candidato perfeito para essa tarefa. Afinal, são partículas fundamentais, e quando você colide um elétron e um pósitron, eles se aniquilam completamente, deixando 100% de sua energia de partícula disponível para a criação de novas partículas. Pegue um elétron e um pósitron cada um com até 5 GeV (giga-elétron-volts) de energia e você terá 10 GeV de energia para produzir novas partículas; obtenha-os até 50 GeV cada e você terá 100 GeV para a produção de partículas; obtenha-os até 500 GeV cada e você terá 1000 GeV, ou 1 TeV (tera-elétron-volts), de energia para fazer novas partículas.

Mas há um problema. A parte do campo elétrico é fácil; acelere seu elétron (ou pósitron) ao longo da direção de um campo elétrico e ele simplesmente ganha energia e velocidade nessa direção. Mas então, quando você aplica o campo magnético para dobrar a partícula, o problema aparece: Quando partículas carregadas viajam em caminhos curvos, elas emitem radiação .

Quanta radiação eles emitem? Bem, é proporcional à razão carga-massa das partículas à quarta potência , o que significa que uma partícula 10 vezes mais pesada, mas com a mesma carga que outra, emitirá apenas 1/10.000 da quantidade de radiação da partícula original. O elétron (e o pósitron) têm as maiores proporções de carga para massa de qualquer partícula elementar ou composta conhecida, e é por isso que qualquer colisor circular que alavanca colisões elétron-pósitron é fundamentalmente limitado.

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. ( Crédito : Jim Pivarski/Colaboração Fermilab/CMS)

Os problemas com prótons

Ok, você raciocina, se elétrons e pósitrons não podem me levar até as energias que eu quero, eu vou pegar partículas carregadas que são muito mais massivas: como prótons e prótons ou prótons e antiprótons. Isso resolve o problema dos elétrons e pósitrons; você não recebe mais uma grande quantidade dessa radiação emitida em seu acelerador. Mas, em vez disso, você tem dois novos problemas para enfrentar.

1. O próton (e o antipróton) não são partículas fundamentais, mas são partículas compostas. Eles não são apenas compostos de três quarks (ou antiquarks) cada, mas também uma mistura de glúons e o que chamamos de quarks do mar, que são os pares quark-antiquark criados temporariamente no interior de um núcleo atômico. Você pode atingir energias muito altas com prótons, mas não são os prótons inteiros que estão colidindo, mas apenas uma partícula fundamental dentro de cada próton, cada uma contendo apenas uma fração da energia total de um próton.
2. E, no entanto, a cada colisão que ocorre, você não obtém um sinal limpo, onde tudo o que seu detector vê é a saída das duas partículas fundamentais que colidiram, mas sim uma enorme quantidade de detritos, como cada partícula subatômica individual que estava dentro do próton pode voar e produzir sua própria cascata de partículas filhas.

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. ( Crédito : Colaboração CERN/ATLAS)

Hoje, o Large Hadron Collider (LHC), é o acelerador de partículas mais poderoso da história, capaz de atingir energias de 7 TeV por próton e colidir prótons com prótons ao redor dos vários pontos de colisão onde os detectores foram construídos. O que a maioria das pessoas não se lembra é que antes aquele enorme túnel era usado para colidir elétrons com pósitrons. Com prótons em vez de elétrons e pósitrons, o LHC pode atingir energias por partícula cerca de 70 vezes maiores do que seu antecessor, o LEP (o Large Electron-Positron Collider) poderia. Ainda assim, ambos os métodos são fundamentalmente limitados e, se quisermos descobrir o que nossas máquinas atuais não podem, temos apenas três opções reais.

1. Podemos construir um grande colisor linear, adequado para colidir elétrons e pósitrons. Teremos que colocar os aceleradores de campo elétrico mais fortes possíveis dentro deles e construí-lo o maior tempo possível, e simplesmente esperar que algo novo apareça.
2. Podemos construir um túnel muito maior do que existe atualmente no CERN, onde o LHC está localizado. Podemos aproveitar esse túnel para conduzir experimentos de colisão elétron-pósitron e próton-próton, com as energias alcançáveis ​​limitadas pela força do ímã e pelo tamanho do túnel.
3. Podemos recorrer a um método fundamentalmente novo: construir um colisor múon/antimúon. Embora enfrente desafios, pode superar nossos problemas atuais de uma maneira que nenhum colisor jamais conseguiu antes.

Os prótons são feitos de quarks up-and-down, bem como glúons, enquanto elétrons e pósitrons são fundamentais. O múon e o antimúon são primos mais pesados ​​e instáveis ​​do elétron e do pósitron, com a mesma carga elétrica, ~206 vezes a massa, mas um tempo de vida médio de apenas 2,2 microssegundos. ( Crédito : E. Siegel / Além da Galáxia)

Como o múon pode salvar a física de partículas

Os múons, em certo sentido, são exatamente como os elétrons: possuem a mesma carga elétrica, são fundamentais e se comportam como partículas pontuais. Existem apenas duas diferenças principais entre um elétron e um múon: o múon é mais pesado, com 206 vezes a massa de repouso do elétron, e eles são instáveis, com um tempo de vida médio de 2,2 microssegundos antes de decair em um elétron e um par de neutrinos.

No entanto, este curto tempo de vida é não proibitivo para usar o múon (ou sua contraparte antipartícula, o antimúon) em um experimento de física de partículas. Por que não? Por causa da física da relatividade especial e, em particular, por causa da propriedade de dilatação do tempo.

Um múon vive por ~ 2,2 microssegundos quando está em repouso, mas quanto mais próximo da velocidade da luz, maior é sua vida útil. Com as mesmas energias que alcançamos no LHC, a vida útil efetiva de um múon aumentaria por um fator de ~ 66.000, o que significa que poderia sobreviver por mais de um décimo de segundo. Contanto que possamos obter múons e antimúons circulando em direções opostas dentro de um anel acelerador, poderíamos construir um colisor de múons a partir dele.

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. (Crédito: Fermilab)

Isso, em princípio, não é impossível . Se você quiser construir um feixe de múons, tudo que você precisa fazer é:

• acelerar prótons até altas energias
• esmagá-los no que chamamos de alvo fixo, que é basicamente um pedaço de acrílico
• onde você produz uma chuva de partículas, a maioria das quais são píons carregados e em movimento rápido
• os píons então decairão, com ~ 99% deles decaindo em múons de movimento ainda mais rápido (e anti-múons)

Finalmente, você reúne e dobra esses múons em seu anel acelerador, onde pode colimá-los e acelerá-los ainda mais até estar pronto para colidi-los.

A recompensa é tremenda: colisões limpas em altas energias entre partículas pontuais, onde 100% da energia da partícula está disponível para a criação de novas partículas via E = m^dois , sem perdas apreciáveis ​​de energia devido à radiação síncrotron. É a maneira mais direta de obter o melhor dos dois mundos, evitando os problemas inerentes à natureza composta do próton e evitando os problemas inerentes às altas relações carga-massa de elétrons e pósitrons. Em vez de simplesmente construir aceleradores cada vez maiores, essa nova abordagem, de um colisor de múons, poderia realmente revolucionar a ciência da física de partículas experimental.

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. ( Crédito : Y. Torun, IIT, Fermilab Hoje)

No entanto, sempre há uma desvantagem. Devido à dificuldade em reunir e colimar essas partículas de movimento rápido - os múons e anti-múons - a taxa de colisões que ocorrem dentro de um colisor de múons será milhões de vezes menos frequente do que em um colisor elétron-pósitron ou próton-próton. . Podemos ser capazes de gerar maiores quantidades de energia do que nunca para a criação de novas partículas, mas, com a tecnologia atual, pode levar séculos ou milênios para reunir as estatísticas necessárias para descobrir algo novo.

Ainda assim, quando se trata de considerar o futuro da física de partículas, o potencial do múon humilde e instável que nos leva muito além de nossas fronteiras atuais não deve ser subestimado. Há três coisas a considerar ao planejar um novo colisor:

1. as energias que vamos alcançar
2. a limpeza e eficiência do sinal pós-colisão
3. as estatísticas do número total de colisões que poderemos coletar

Os colisores elétron-pósitron são bons para #2 e #3, os colisores próton-próton são bons para #1 e #3, enquanto os colisores múon-antimuon são bons para #1 e #2. Sem conhecer as soluções para mistérios cósmicos como matéria escura, energia escura, o problema da hierarquia e a origem da assimetria matéria-antimatéria, somos compelidos a continuar a busca cósmica. Quanto a qual método será o mais frutífero para resolver esses quebra-cabeças, só o tempo, assim como a tecnologia futura, dirá.

Neste artigo, física de partículas

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