O que as 3 maiores descobertas da física da década significam para o futuro da ciência
Este evento, observado no detector ATLAS no CERN em 2017, mostra a produção de um bóson de Higgs e um bóson Z simultaneamente. As duas faixas azuis são elétrons de alta energia que correspondem a um bóson Z, com suas energias correspondentes a uma massa de 93,6 GeV. Os dois cones cianos são ambos jatos, onde um grande número de partículas é criado devido à hadronização de quarks. Em particular, isso pode ser rastreado até um par de quarks bottom-antibottom, que é um candidato a Higgs. A massa invariante reconstruída do candidato de Higgs deste evento é 128,1 GeV, consistente com as propriedades do bóson de Higgs. (EXPERIIMENTO ATLAS / CERN)
Encontrar o bóson de Higgs, ondas gravitacionais e imaginar o horizonte de eventos de um buraco negro foram enormes. Há ainda mais na história.
Do ponto de vista científico, os anos 2010 foram uma década tremendamente frutífera. Nosso conhecimento de exoplanetas – planetas que orbitam estrelas além do nosso – explodiu, gerando milhares de novas descobertas e uma compreensão incomparável do que está lá fora. O satélite Planck e nossas pesquisas de estrutura em larga escala identificaram a energia escura, enquanto dados astronômicos aprimorados nos mostraram um enigma sobre o Universo em expansão. Os lasers ficaram mais rápidos e poderosos; a supremacia quântica foi alcançada pela primeira vez; exploramos Plutão e além, enquanto nossas naves espaciais mais distantes finalmente entraram no espaço interplanetário.
Mas três avanços da física estão de cabeça e ombros acima do resto, trazendo enormes ramificações para o que o futuro da ciência reserva. A descoberta do bóson de Higgs, a detecção direta de ondas gravitacionais e a primeira imagem do horizonte de eventos de um buraco negro revolucionaram a ciência na década de 2010 e continuarão a influenciar a física nas próximas décadas.
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, ou por que não há violação de CP nas interações fortes. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)
1.) Descobrindo o bóson de Higgs . Com os quarks, léptons carregados, neutrinos e suas contrapartes de antimatéria já descobertos antes da década de 2010, o setor fermiônico do Modelo Padrão já estava completo. Já havíamos descoberto e medido as propriedades de todos os bósons de calibre também: os bósons W e Z, os glúons e o fóton. Apenas o bóson de Higgs – a última das partículas previstas pelo Modelo Padrão – permaneceu.
O Large Hadron Collider, o acelerador de partículas mais poderoso já criado pela humanidade, foi construído com o objetivo explícito de descobrir essa partícula. Ao alcançar energias nunca vistas antes em aceleradores terrestres e combinando-as com um número maior de colisões próton-próton do que nunca, os cientistas foram capazes de finalmente revelar a partícula fundamental mais indescritível da natureza.
A primeira detecção robusta de 5 sigma do bóson de Higgs foi anunciada há alguns anos pelas colaborações CMS e ATLAS. Mas o bóson de Higgs não faz um único “pico” nos dados, mas sim um aumento espalhado, devido à sua incerteza inerente na massa. Seu valor médio de massa de 125 GeV/c² é um enigma para a física teórica, mas os experimentalistas não precisam se preocupar: ele existe, podemos criá-lo e agora podemos medir e estudar suas propriedades também. (A COLABORAÇÃO CMS, OBSERVAÇÃO DO DIPHOTON DECAY DO BÓSON DE HIGGS E MEDIÇÃO DE SUAS PROPRIEDADES, (2014))
Conseguimos não apenas criar e detectar o Higgs, mas também medimos várias de suas propriedades. Estes incluíram:
- sua massa, que tem uma energia equivalente de 125-126 GeV,
- seu spin, que é zero, tornando-se a única partícula escalar fundamental já vista,
- e suas razões de ramificação, que nos mostram como o bóson de Higgs provavelmente decairá em vários conjuntos de partículas.
Além de descobrir o Higgs, fazer essas medições detalhadas dessas propriedades nos permitiu comparar a teoria com o experimento e nos perguntar o quão bem-sucedido o Modelo Padrão foi em prever como o Higgs se comportaria. A partir de 2019 e do conjunto completo de dados que foram coletados e analisados pelas colaborações CMS e ATLAS, tudo o que vimos é 100% consistente com o bóson de Higgs com as propriedades exatas previstas teoricamente.
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 em si é um enorme quebra-cabeça. Por um lado, temos uma série de mistérios sobre o Universo que as partículas, campos e interações do Modelo Padrão não podem explicar. Não sabemos a causa da matéria escura, energia escura, inflação ou bariogênese, apenas que o Modelo Padrão sozinho não pode explicar isso. Não temos solução para uma infinidade de outros quebra-cabeças, desde o problema do CP forte até as massas de neutrinos até explicar por que as partículas têm as massas de repouso que têm.
Os cientistas planejam executar o Grande Colisor de Hádrons na década de 2030, realizando uma série de experimentos de baixa energia em paralelo. Mas, a menos que eles revelem uma resposta ou pelo menos uma dica convincente, a humanidade enfrentará uma questão controversa: devemos construir um colisor superior de próxima geração para olhar além do que o Grande Colisor de Hádrons pode nos ensinar? O futuro da física de partículas – e uma chance de finalmente desvendar esses mistérios – está em jogo.
Quando você tem duas fontes gravitacionais (ou seja, massas) inspirando e eventualmente se fundindo, esse movimento causa a emissão de ondas gravitacionais. Embora possa não ser intuitivo, um detector de ondas gravitacionais será sensível a essas ondas em função de 1/r, não como 1/r², e verá essas ondas em todas as direções, independentemente de estarem de frente ou na borda, ou em qualquer lugar no meio. (NASA, ESA, E A. FEILD (STSCI))
2.) A detecção direta de ondas gravitacionais . Quando Einstein apresentou a teoria da Relatividade Geral em 1915, houve toda uma série de consequências que não foram suficientemente elaboradas dentro dessa nova estrutura de mudança de paradigma. Após décadas de trabalho teórico, no entanto, ficou claro que, à medida que as massas se moviam pelo Universo, a curvatura do espaço-tempo mudava, e as massas que se moviam através de um espaço-tempo cuja curvatura mudava com o tempo precisavam emitir uma nova forma de radiação: ondas gravitacionais.
Embora as consequências indiretas dessa radiação tenham aparecido nos dados do pulsar há muito tempo, o objetivo final sempre foi detectar essas ondulações diretamente. Quando uma nova geração de detectores de ondas gravitacionais entrou em operação em 2015, liderada pela colaboração LIGO, nasceu todo um novo campo: o da astronomia de ondas gravitacionais. Pela primeira vez, essas ondulações deixaram sinais observáveis e identificáveis em detectores criados por humanos, revelando sua existência diretamente.
Uma imagem estática de uma visualização dos buracos negros em fusão que o LIGO e o Virgo observaram no final da Corrida II. À medida que os horizontes dos buracos negros espiralam e se fundem, as ondas gravitacionais emitidas tornam-se mais altas (maior amplitude) e mais agudas (mais altas em frequência). Os buracos negros que se fundem variam de 7,6 massas solares até 50,6 massas solares, com cerca de 5% da massa total perdida durante cada fusão. A frequência da onda é afetada pela expansão do Universo. (COLABORAÇÃO TERESITA RAMIREZ/GEOFFREY LOVELACE/SXS/COLABORAÇÃO LIGO-VIRGO)
Dois tipos de sinais já foram vistos diretamente: sinais correspondentes à inspiração e fusão de buracos negros binários e sinais correspondentes à fusão de duas estrelas de nêutrons. O primeiro é de longe o tipo de sinal mais frequente que o LIGO vê, revelando buracos negros em uma faixa de massa nunca vista antes e nos ensinando sobre as estatísticas populacionais desses remanescentes estelares, enquanto o último também vem com sinais eletromagnéticos , permitindo-nos determinar a origem dos elementos mais pesados do Universo.
Detectores como LIGO e Virgo já foram atualizados, aumentando seu alcance e sua sensibilidade, e esta corrida atual ainda pode revelar não apenas novas detecções, mas novas classes de objetos que geram ondas gravitacionais, como fusões estrela de nêutrons-buraco negro, buracos de massas mais leves do que nunca visto antes, ou possivelmente até mesmo terremotos de pulsares, supernovas ou algo totalmente surpreendente.
Quando os dois braços têm exatamente o mesmo comprimento e não há onda gravitacional passando, o sinal é nulo e o padrão de interferência é constante. À medida que os comprimentos dos braços mudam, o sinal é real e oscilatório, e o padrão de interferência muda com o tempo de maneira previsível. (LUGAR ESPACIAL DA NASA)
À medida que os anos 2010 abrem caminho para os anos 2020 e além, os detectores de ondas gravitacionais continuarão a aumentar em tamanho, sensibilidade e escopo, abrindo a possibilidade de revelar sinais que só podemos sonhar em detectar hoje. Objetos caindo em buracos negros supermassivos estão em nosso horizonte, assim como as ondas gravitacionais geradas durante os momentos finais da inflação: a fase do Universo que precedeu e configurou o Big Bang quente.
Até muito recentemente, a humanidade nem tinha certeza da existência de ondas gravitacionais. Não tínhamos certeza de que esses sinais apareceriam em nossos instrumentos ou que nossas previsões teóricas se alinhariam com a realidade. Os últimos quatro anos nos mostraram que não apenas Einstein estava certo, mas que existe um universo inteiro para explorar além da detecção de sinais eletromagnéticos (de luz). Este século promete ser o século de um novo tipo de astronomia: a astronomia de ondas gravitacionais. Até onde vamos com isso depende inteiramente de nós.
A primeira imagem divulgada do Event Horizon Telescope alcançou resoluções de 22,5 microssegundos de arco, permitindo que a matriz resolva o horizonte de eventos do buraco negro no centro de M87. Um telescópio de prato único teria que ter 12.000 km de diâmetro para atingir essa mesma nitidez. Observe as diferentes aparências entre as imagens de 5/6 de abril e as imagens de 10/11 de abril, que mostram que as características ao redor do buraco negro estão mudando ao longo do tempo. Isso ajuda a demonstrar a importância de sincronizar as diferentes observações, em vez de apenas calcular a média do tempo. (COLABORAÇÃO DO TELESCÓPIO HORIZON DO EVENTO)
3.) Detectando o horizonte de eventos de um buraco negro diretamente . Essa conquista, a mais recente das três, remonta apenas a abril de 2019, quando a famosa imagem de rosquinha do buraco negro supermassivo no centro da galáxia Messier 87 foi divulgada. Exigindo centenas de cientistas usando muitos petabytes de dados coletados simultaneamente com radiotelescópios e conjuntos de radiotelescópios em todo o mundo, esta imagem é apenas a ponta do iceberg.
Claro, é legal ver um horizonte de eventos pela primeira vez e confirmar mais uma previsão da Relatividade Geral de Einstein. É uma conquista técnica incrível, alavancando uma técnica que só se tornou tecnicamente possível com o advento de novos arrays como o ALMA. É notável que tantos observatórios foram capazes de se coordenar entre si, em todo o mundo, para fazer essas observações. Mas essa não é a maior história.
Este diagrama mostra a localização de todos os telescópios e conjuntos de telescópios usados nas observações de M87 do Event Horizon Telescope de 2017. Apenas o Telescópio do Pólo Sul não conseguiu visualizar M87, pois está localizado na parte errada da Terra para ver o centro dessa galáxia. Cada um desses locais é equipado com um relógio atômico, entre outros equipamentos. (NRAO)
O fato mais notável sobre tudo isso é que estamos sondando estruturas que estão mudando constantemente com o tempo até precisões que eram inimagináveis alguns anos atrás. A resolução do Event Horizon Telescope é o equivalente a um telescópio de prato único com 12.000 quilômetros de diâmetro: o tamanho que um punho humano na Lua pareceria a um humano na Terra.
Muito parecido com o exemplo do punho humano, as estruturas que estamos observando são aquelas que estão mudando constantemente, mas apenas observando um instantâneo no tempo. As imagens de 5/6 de abril do buraco negro são semelhantes umas às outras, mas diferentes das imagens de 10/11 de abril, demonstrando que os fótons que observamos estão mudando ao longo do tempo.
Em um futuro muito próximo, esperamos ser capazes de descobrir os sinais de erupções de buracos negros, matéria em queda, mudanças no fluxo de acreção e mapas não apenas da luz de rádio, mas da polarização dessa luz. Mas em um futuro mais distante, podemos começar a lançar radiotelescópios devidamente equipados para o espaço, sincronizando-os com nossos observatórios terrestres e estendendo a linha de base (e, portanto, a resolução) do Event Horizon Telescope para precisões muito maiores.
A orientação do disco de acreção como de frente (dois painéis à esquerda) ou de borda (dois painéis à direita) pode alterar muito a aparência do buraco negro para nós. Ainda não sabemos se existe um alinhamento universal ou um conjunto de alinhamentos aleatórios entre buracos negros e discos de acreção. ('RUMO AO HORIZONTE DO EVENTO - O BURACO NEGRO SUPERMASSIVO NO CENTRO GALÁCTICO', CLASSE. QUANTUM GRAV., FALCKE & MARKOFF (2013))
À medida que as próximas décadas se desenrolam, não mediremos simplesmente como um ou dois buracos negros supermassivos no Universo evoluem, mas dezenas ou até centenas. É possível que buracos negros de massa estelar também entrem na dobra, pois estão contidos em nossa própria galáxia e, portanto, parecem relativamente grandes. É até possível que tenhamos uma surpresa, e os buracos negros que parecem estar quietos exibirão assinaturas de rádio que essas matrizes de telescópios podem captar, afinal.
Existe um caminho claro para a exploração contínua do Universo, e tudo o que depende é estender o que já estamos fazendo. Não sabemos que segredos a natureza guarda além das fronteiras já exploradas, mas uma coisa sabemos com certeza: se não olharmos, nunca aprenderemos.
Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. 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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