• Começa Com Um Estrondo

Não devemos desistir de responder às maiores perguntas científicas de todas

O bárion duplamente encantado, Ξcc++, contém dois quarks charm e um quark up, e foi descoberto experimentalmente no CERN. Agora, os pesquisadores simularam como sintetizá-lo a partir de outros bárions encantados que “derretem” juntos, e os rendimentos de energia são tremendos. Descobrir verdades ainda não reveladas sobre o Universo requer investir em experimentos que ainda não foram realizados. (DANIEL DOMINGUEZ, CERN)

O trabalho teórico diz onde procurar, mas apenas experimentos podem revelar o que você encontrará.

Existem mistérios fundamentais por aí sobre a natureza do próprio Universo, e é nossa curiosidade inerente sobre essas perguntas não respondidas que impulsiona a ciência. Há uma quantidade incrível que já aprendemos, e os sucessos de nossas duas principais teorias – a teoria quântica de campo que descreve o Modelo Padrão e a Relatividade Geral para a gravidade – é uma prova de quão longe chegamos na compreensão da própria realidade.

Muitas pessoas estão pessimistas sobre nossas tentativas atuais e planos futuros para tentar resolver os grandes mistérios cósmicos que nos impedem hoje. Nossas melhores hipóteses para a nova física, incluindo supersimetria, dimensões extras, tecnicolor, teoria das cordas e muito mais, falharam em fornecer qualquer confirmação experimental. Mas isso não significa que a física esteja em crise. Significa que está funcionando exatamente como esperávamos: dizendo a verdade sobre o Universo. Nossos próximos passos nos mostrarão o quão bem estamos ouvindo.

Das escalas macroscópicas às subatômicas, os tamanhos das partículas fundamentais desempenham apenas um pequeno papel na determinação dos tamanhos das estruturas compostas. Ainda não se sabe se os blocos de construção são partículas verdadeiramente fundamentais e/ou pontuais. (MAGDALENA KOWALSKA / CERN / EQUIPE ISOLDE)

Há um século, as maiores perguntas que pudemos fazer incluíam algumas enormes existenciais, como:

• Quais são os menores constituintes da matéria?
• Nossas teorias das forças da natureza são realmente fundamentais, ou há uma compreensão mais profunda a ser obtida?
• Quão grande é o universo?
• Nosso Universo existiu para sempre, ou surgiu em algum momento no passado?
• Como as estrelas brilham?

Esses foram alguns dos maiores quebra-cabeças de seus dias e foram desafios que muitos achavam que não seríamos capazes de responder. Em particular, eles pareciam exigir um investimento de recursos tão grande que havia apelos para simplesmente nos contentarmos com o que sabíamos na época e simplesmente usar esse conhecimento para promover a sociedade.

O detector ALPHA-g, construído nas instalações do acelerador de partículas do Canadá, TRIUMF, é o primeiro de seu tipo projetado para medir o efeito da gravidade na antimatéria. Quando orientado verticalmente, deve ser capaz de medir em que direção a antimatéria cai e em que magnitude. Experimentos como esse eram insondáveis ​​há um século, pois a existência da antimatéria nem era conhecida. (STU PASTOR / TRIUMF)

Claro que não fizemos isso. Investir na sociedade é tremendamente importante, mas também é empurrar as fronteiras do que é conhecido. Com novas descobertas e métodos de investigação, conseguimos descobrir as seguintes respostas:

• Os átomos são feitos de partículas subatômicas, muitas das quais têm constituintes ainda menores; agora sabemos de todo o Modelo Padrão.
• Nossas teorias clássicas foram substituídas pelas quânticas, produzindo quatro forças fundamentais: as forças nuclear forte, eletromagnética, nuclear fraca e gravitacional.
• O Universo observável se estende por 46,1 bilhões de anos-luz em todas as direções; o Universo inobservável pode ser muito maior ou mesmo infinito.
• Já se passaram 13,8 bilhões de anos desde que o evento conhecido como Big Bang quente deu origem ao Universo que conhecemos, com uma época inflacionária de duração indeterminada precedendo-a.
• E as estrelas brilham com base na física da fusão nuclear, convertendo matéria em energia via Einstein E = mc² .

Na fusão nuclear, dois núcleos mais leves se fundem para criar um mais pesado, mas onde os produtos finais têm menos massa que os reagentes iniciais e onde a energia é, portanto, liberada via E = mc². No cenário de “melting quark”, dois bárions com quarks pesados ​​produzem um bárion duplamente pesado, liberando energia através do mesmo mecanismo. (GERALD A. MILLER / NATUREZA)

E, no entanto, isso serve apenas para aprofundar os mistérios científicos que nos cercam. Com tudo o que sabemos sobre as partículas fundamentais, sabemos que deve haver mais no Universo do que apenas as que conhecemos. Não podemos explicar a existência aparente da matéria escura, nem entendemos a energia escura ou por que o Universo se expande com as propriedades que ele faz.

Não sabemos por que as partículas têm as massas que têm, por que a matéria domina o Universo e não a antimatéria, ou por que os neutrinos têm massa. Não sabemos se o próton é estável ou um dia decairá, ou se a gravidade é uma força inerentemente quântica na natureza. E embora saibamos que o Big Bang foi precedido pela inflação, não sabemos se a própria inflação teve um começo ou se foi eterna no passado.

Depois que os pares quark/antiquark se aniquilam, as partículas de matéria restantes se ligam em prótons e nêutrons, em meio a um fundo de neutrinos, antineutrinos, fótons e pares elétron/pósitron. Haverá um excesso de elétrons sobre pósitrons para corresponder exatamente ao número de prótons do Universo, mantendo-o eletricamente neutro. Como surgiu essa assimetria matéria-antimatéria é uma grande questão sem resposta da física contemporânea. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Esses mistérios são atualmente solucionáveis ​​por seres humanos? Os experimentos que somos capazes de realizar com a tecnologia atual ou futura podem lançar alguma luz sobre esses quebra-cabeças fundamentais?

A resposta a essa primeira pergunta é talvez; não sabemos que segredos a natureza guarda a menos que olhemos. A resposta a essa segunda pergunta, no entanto, é um inequívoco sim. Mesmo que todas as teorias que já teorizamos sobre o que está além da fronteira atual do que é conhecido - o Modelo Padrão e a Relatividade Geral - estejam 100% erradas, há uma quantidade impressionante de informações a serem obtidas realizando os experimentos que estamos realizando. projetando para a próxima geração. Não construí-los seria uma enorme loucura, mesmo que apenas confirme a cenário de pesadelo que os físicos de partículas temiam há gerações.

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. ( UNIVERSE-REVIEW.CA )

Quando você ouve falar de um acelerador de partículas, provavelmente pensa em todas as novas descobertas que podem nos esperar em energias mais altas. A promessa de novas partículas, novas forças, novas interações ou mesmo setores inteiramente novos da física são o que os teóricos frequentemente inventam e promovem, mesmo que experimento após experimento não cumpra essas promessas.

Há uma boa razão para isso: a maioria das ideias que podemos inventar em física já foram descartadas ou altamente restringidas pelos dados que já temos em nossos cofres. Se você quer descobrir uma nova partícula, campo, interação ou fenômeno, não adianta postular algo que seja inconsistente com o que já sabemos ser verdade hoje. Claro, pode haver suposições que fizemos que mais tarde se revelaram incorretas, mas os dados em si devem estar de acordo com qualquer nova teoria.

Os vértices mostrados nos diagramas de Feynman acima contêm três bósons de Higgs que se encontram em um único ponto, o que nos permitiria medir o auto-acoplamento de Higgs, um parâmetro fundamental para entender a física fundamental. (ALAIN BLONDEL E PATRICK JANOT/ARXIV:1809.10041)

É por isso que a maior quantidade de esforço na física não vai para novas teorias ou novas ideias, mas para experimentos que ultrapassam os regimes que já exploramos. Claro, encontrar o bóson de Higgs pode gerar grandes manchetes, mas quão fortemente o Higgs se acopla ao bóson Z? Quais são todos os acoplamentos entre essas duas partículas e as outras no Modelo Padrão? Quão fáceis eles são de criar? E uma vez que você os cria, existem decaimentos mútuos que são diferentes de um decaimento de Higgs padrão mais um decaimento de bóson Z padrão?

Existe uma técnica que você pode usar para investigar isso: crie uma colisão elétron-pósitron exatamente na massa do Higgs mais o bóson Z. Em vez de algumas dezenas a talvez 100 eventos que criam um bóson de Higgs e um Z-boson, que é o que o LHC produziu, você pode criar milhares, centenas de milhares ou até milhões.

Quando você colide elétrons em altas energias com hádrons (como prótons) movendo-se na direção oposta em altas energias, você pode obter a capacidade de sondar a estrutura interna dos hádrons como nunca antes. Este foi um tremendo avanço do experimento DESY (German Electron Synchrotron). (JOACHIM MEYER; DESY/HERA)

Claro, o público em geral pode ficar mais empolgado com uma nova partícula do que qualquer outra coisa, mas nem todo experimento é projetado para produzir novas partículas, nem deveria ser. Alguns são projetados para sondar a matéria que já sabemos que existe e estudar suas propriedades em detalhes como nunca antes. O LEP, o Large Electron-Positron Collider e o predecessor do LHC, nunca encontrou uma única nova partícula fundamental. Nem o experimento DESY, que colidiu elétrons com prótons. Nem o RHIC, o Relativistic Heavy Ion Collider.

E isso é de se esperar; esse não era o objetivo desses colisores. Seu objetivo era estudar o assunto que sabemos existir com precisão nunca antes estudada.

Com seis quarks e seis antiquarks para escolher, onde seus spins podem somar 1/2, 3/2 ou 5/2, espera-se que haja mais possibilidades de pentaquark do que todas as possibilidades de bárions e mésons combinadas. (COLABORAÇÃO CERN / LHC / LHCB)

Não é como se esses experimentos simplesmente confirmassem o Modelo Padrão, embora tudo o que eles descobrissem fosse consistente com o Modelo Padrão e nada mais. Eles criaram novas partículas compostas e mediram os acoplamentos entre elas. Proporções de decaimento e proporções de ramificação foram descobertas, assim como diferenças sutis entre matéria e antimatéria. Descobriu-se que algumas partículas se comportavam de maneira diferente de suas partículas espelhadas. Outros foram encontrados para violar a simetria de reversão de tempo. Ainda outros foram encontrados se misturando, criando estados vinculados que nunca percebemos que poderiam existir antes.

O objetivo do próximo grande experimento científico não é simplesmente procurar uma coisa nova ou testar uma nova teoria. É reunir um enorme conjunto de dados inatingíveis e permitir que esses dados guiem o desenvolvimento do campo.

Um hipotético novo acelerador, seja um longo linear ou um que habita um grande túnel sob a Terra, poderia diminuir as energias do LHC. Mesmo assim, não há garantia de que encontraremos algo novo, mas com certeza não encontraremos nada de novo se não tentarmos. (COLABORAÇÃO ILC)

Claro, podemos projetar e construir experimentos ou observatórios de olho no que prevemos que possa estar lá. Mas a melhor aposta para o futuro da ciência é uma máquina multifuncional que pode reunir grandes e variados volumes de dados que nunca poderiam ser coletados sem um investimento tão tremendo. É por isso que o Hubble teve tanto sucesso, por que o Fermilab e o LHC ultrapassaram os limites como nunca antes e por que missões futuras como o Telescópio Espacial James Webb, futuros observatórios de classe de 30 metros como o GMT ou o ELT , ou futuros colisores além do LHC, como o FCC , CLIQUE , ou o ILC são necessárias se quisermos responder às questões mais fundamentais de todas.

Há um velho ditado nos negócios que também se aplica à ciência: mais rápido. Melhorar. Mais barato. Escolhe dois. O mundo está se movendo mais rápido do que nunca. Se começarmos a beliscar centavos e não investir em melhor, é o mesmo que já ter desistido.

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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