• Começa Com Um Estrondo

O caso simples de por que a física precisa de um colisor de partículas além do LHC

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, precisamos começar a planejar a próxima geração de colisores se quisermos descobrir os segredos do Universo que estão além das capacidades do LHC. (CERN)

Não construir um significa desistir da força bruta. Ainda não estamos preparados para isso.

Há um problema com o campo da física de altas energias, e é o maior que se possa imaginar. Por um lado, temos o Modelo Padrão da física de partículas: uma teoria quântica de campos que descreve as partículas do Universo e como elas interagem. De reatores nucleares a decaimentos radioativos, de partículas cósmicas a aceleradores de alta energia, o Modelo Padrão passou em todos os testes experimentais já criados.

Por outro lado, o Modelo Padrão não explica tudo o que sabemos que deve existir. Matéria escura, energia escura, os valores das constantes fundamentais e a origem de por que nosso Universo é feito de matéria e não de antimatéria são enigmas pendentes e não resolvidos. Quando o Large Hadron Collider (LHC) foi ativado em 2008, ele foi projetado para encontrar o último reduto do Modelo Padrão: o bóson de Higgs. Mas nenhum outro mistério foi ainda resolvido. Alguns afirmam isso significa que outro colisor não valerá a pena . Na realidade, isso significa que precisamos de um agora mais do que nunca.

Os rastros de partículas emanados de uma colisão de alta energia no LHC em 2014. Os incríveis detectores do LHC são capazes de reconstruir quais partículas foram criadas e como elas se comportaram extremamente perto do ponto de colisão. (CERN)

Muito simplesmente, existem algumas regras para criar e medir as propriedades de cada partícula que conhecemos. Tudo que você precisa é uma interação entre quaisquer duas partículas pré-existentes onde:

• energia livre suficiente está disponível para criar novas partículas (e antipartículas) via Einstein E = mc² ,
• todas as regras de conservação quântica (carga elétrica, carga de cor, spin, momento angular, etc.)
• e a interação pela qual você tenta criar suas partículas (e antipartículas) é permitida pelo Modelo Padrão.

Ao aderir a essa fórmula, nossos colisores de alta energia, tanto do passado quanto do presente, conseguiram não apenas criar todas as partículas previstas para existir como parte do Modelo Padrão, mas também medir suas propriedades físicas.

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 ainda não se sabe se são fundamentais. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Quando você pensa em propriedades físicas, provavelmente pensa em coisas como massa, carga, tamanho (se aplicável), rotação e assim por diante. Estes são certamente componentes importantes das propriedades de uma partícula, mas não é uma lista exaustiva. A maioria das partículas, por causa das interações permitidas (e proibidas) pelo Modelo Padrão, não são estáveis ​​indefinidamente, mas têm um tempo de vida finito, após o qual decairão.

Por causa das regras da física quântica, não há uma resposta infalível e única para a questão de quando essa partícula decairá e em que ela decairá? Em vez disso, tudo o que temos é um conjunto de probabilidades. Podemos quantificar o tempo de vida médio (médio) de uma partícula, seus possíveis caminhos de decaimento, as probabilidades associadas a cada um, etc. experimentos.

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 energética atual. (PROJETO DE EDUCAÇÃO FÍSICA CONTEMPORÂNEA / DOE / NSF / LBNL)

Apenas, sabemos que o Modelo Padrão não pode ser correto em sentido absoluto. Claro, parece ser uma versão aproximadamente correta de uma teoria mais profunda e fundamental, de uma maneira que nenhum experimento jamais refutou ou nos levou a questionar. Mas a necessidade de novas partículas, campos e/ou interações para descrever completamente a totalidade do Universo conhecido não pode ser negada.

Qualquer que seja a verdade última para a nossa realidade física, o Modelo Padrão não pode ser toda a extensão dela. Deve haver mais por aí. A grande questão é esta: quão correto é o modelo padrão? Veremos novas partículas se formos 10, 100 ou 1000 vezes as energias que atualmente podemos? Veremos desvios de suas previsões no 3º, 5º ou 9º dígitos significativos de decaimentos e tempos de vida das partículas? Ou será o Modelo Padrão até onde nossas capacidades podem nos levar?

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 a extensão dos atuais túneis subterrâneos. (ESTUDO CERN / FCC)

O LHC, até agora, tem sido absolutamente incrível no que diz respeito aos experimentos. Além de revelar a resistência final no Modelo Padrão de partículas elementares - o bóson de Higgs - também sondou a fronteira de energia para valores mais altos do que nunca. A partícula mais pesada no Modelo Padrão é o quark top com aproximadamente 175 GeV/c²; o LHC tem sondado até energias quase 100 vezes mais altas.

Se houver novas partículas a serem encontradas, com energias de até aproximadamente 7.000 GeV/c², o LHC tem capacidade para encontrá-las. Se houver desvios dos comportamentos esperados, previstos pelo Modelo Padrão, a serem encontrados nas partículas conhecidas, o LHC tem a capacidade de sondar esses também. No entanto, com um número sem precedentes de colisões em energias nunca alcançadas em um laboratório antes, tudo concorda apenas com o velho e simples Modelo Padrão.

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)

Isso não é um desastre para a física de partículas, mas é decepcionante. No passado, quando empurramos a fronteira da energia para um novo território, não apenas descobrimos a partícula ou o fenômeno que estávamos procurando, mas também surpresas ou novidades adicionais que forneceram novos insights sobre a natureza fundamental da realidade. Não é assim com o LHC.

O bóson de Higgs parece ser a versão da variedade de jardim conforme previsto pelo Modelo Padrão, sem variações em sua taxa de decaimento, tempo de vida, massa, largura ou proporção de ramificação. As outras partículas do Modelo Padrão também, quando sujeitas a esse novo nível de escrutínio, parecem ilustrar quão correto é o Modelo Padrão, sem desvios. Os únicos indícios da nova física foram as aparições, provando ser meras flutuações aleatórias nos dados, consistentes com o Modelo Padrão.

Quando dois prótons colidem, não são apenas os quarks que os compõem que podem colidir, mas os quarks do mar, glúons e, além disso, interações de campo. Todos podem fornecer insights sobre a rotação dos componentes individuais e nos permitir criar partículas potencialmente novas se forem alcançadas energias e luminosidades suficientemente altas. (COLABORAÇÃO CERN / CMS)

A grande questão existencial do campo é: para onde vamos a partir daqui? Existem dois caminhos principais a seguir:

1. O caminho da força bruta, onde aumentamos a energia das colisões, o número de colisões e o número de cada tipo de partícula do Modelo Padrão que podemos criar para melhor observar seus decaimentos, taxas de ramificação, tempos de vida, etc.
2. A abordagem de finesse, onde experimentos específicos são realizados para procurar fenômenos que possam levar a dicas de física além do Modelo Padrão em outros lugares, como em oscilações de neutrinos, condições de plasma quark-gluon ou outros cenários exóticos.

A abordagem de finesse será tomada independentemente; experimentos como LSND, MiniBOONE, DAMA/CoGENT e outros já estão fazendo exatamente isso. A questão diante de nós é se construiremos um novo e futuro colisor que nos levará além dos limites do LHC.

https://www.youtube.com/watch?v=DaGJ2deZ-54

Deve haver novas partículas por aí, e elas podem ser detectáveis ​​ao ultrapassar as fronteiras da física de partículas experimental. As opções incluem nova física, novas forças, novas interações, novos acoplamentos ou qualquer grande quantidade de cenários exóticos, incluindo aqueles que ainda não imaginamos.

À medida que retiramos o véu de nossa ignorância cósmica; à medida que sondamos as fronteiras de energia e precisão; à medida que produzimos mais e mais eventos, começaremos a obter dados como nunca antes. Se houver uma nova física na 7ª casa decimal de um decaimento de Higgs, ou se o W+ tiver uma taxa de ramificação de decaimento ligeiramente diferente do W-, um novo colisor é a única ferramenta que provavelmente revelará isso. As assinaturas de novas partículas podem aparecer como uma correção muito pequena às previsões do Modelo Padrão, e a criação de um grande número de partículas em decomposição, como bósons pesados ​​ou quarks, pode revelá-las.

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. (LATHAM BOYLE E MARDUS DO WIKIMEDIA COMMONS)

Mas se decidirmos não construir um, nunca saberemos se essas novas assinaturas da física além do Modelo Padrão estão lá para serem reveladas ou não. É bastante plausível que não haja nada para encontrar para muitas ordens de magnitude em energia. Embora novas partículas, campos e/ou interações estejam certamente presentes, elas podem não aparecer por fatores de um milhão (ou mais) além do que o LHC pode sondar.

O derradeiro cenário de pesadelo na física de partículas não é que o LHC não encontre nada além do bóson de Higgs; é que não há nada que a humanidade seja capaz de encontrar com qualquer colisor que possamos construir razoavelmente na Terra. Neste momento, neste momento, temos as pessoas, a base de conhecimento e a infraestrutura para tentar um colisor de próxima geração. Se deixarmos passar a oportunidade diante de nós nos próximos anos, provavelmente nunca construiremos a única máquina que tem chance de nos levar além dos limites do que é conhecido atualmente.

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. ( UNIVERSE-REVIEW.CA )

O LHC, é claro, ainda não foi derrotado. Atualmente, está passando por atualizações em energia e luminosidade, o que permitirá um número ainda maior de colisões em energias um pouco mais altas do que já alcançou. Ao todo, o LHC coletou meros 2% dos dados que irá coletar ao longo de sua vida; há um fator de 50 melhorias a serem obtidas simplesmente com mais tempo e o cronograma planejado de atualizações. Há uma chance de que, com mais e melhores dados, o LHC possa revelar os grandes segredos da física que nos levarão além de nossas limitações atuais.

Quer isso aconteça ou não, porém, a única maneira de saber quais segredos a natureza realmente guarda é olhar. Se deixarmos de fazer ao Universo as perguntas mais fundamentais que pudermos sobre sua própria natureza, garantimos a nós mesmos que nunca aprenderemos as respostas. Certo, um futuro colisor , com um novo túnel, novos detectores, novos ímãs e um novo pipeline de dados será muito caro.

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 hoje. (PCHARITO / WIKIMEDIA COMMONS)

Mas como você pode comparar o custo de um novo colisor com o custo para a humanidade de nem mesmo tentar compreender as grandes incógnitas diante de nós? Pode chegar um dia em que desistamos do que a ciência pode nos ensinar, mas hoje não é esse dia. Enquanto houver uma fronteira a ser ultrapassada em termos de energia, precisão ou quantidade de dados que podemos coletar, é nosso dever, como espécie curiosa, ultrapassar esses limites o máximo que pudermos.

A abordagem da força bruta não é a única que devemos adotar, é claro, com a mesma certeza de que os astrônomos não investem tudo na construção de um único telescópio com o máximo de poder de coleta de luz possível. Mas abandoná-lo agora, depois de nos levar tão longe, seria o pior erro que poderíamos cometer.

A fruta mais baixa pode ter desaparecido, e não sabemos o que pode estar lá em cima nas copas das árvores. Podemos construir um coletor de cerejas bom o suficiente para nos levar até lá. Você não quer uma chance de provar a fruta mais doce de todas?

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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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