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Por que a física precisa e merece um colisor pós-LHC

Acelerar partículas em círculos, dobrando-as com ímãs e colidindo-as com partículas de alta energia ou antipartículas, é uma das maneiras mais poderosas de sondar novas físicas no Universo. Para encontrar o que o LHC não pode, devemos ir para energias mais altas e/ou precisões mais altas, que um túnel maior fornecerá absolutamente. (ESTUDO CERN / FCC)

O Grande Colisor de Hádrons nos permitiu completar o Modelo Padrão. Mesmo assim, o que temos está incompleto. Aqui está o que pode vir a seguir.

O Large Hadron Collider é o acelerador de partículas mais poderoso já construído pela humanidade. Ao alcançar energias mais altas e um maior número de colisões nessas energias do que nunca, empurramos as fronteiras da física de partículas além de seus antigos limites. As conquistas dos milhares de cientistas que construíram o LHC e seus detectores, executaram os experimentos e coletaram e analisaram os dados não podem ser exageradas.

É mais conhecido por encontrar o bóson de Higgs, mas nada fora do Modelo Padrão. Alguns até consideram o que o LHC achou decepcionante, porque ainda não descobrimos nenhuma partícula nova e inesperada. Mas isso obscurece a maior verdade da ciência experimental de qualquer tipo: para conhecer verdadeiramente a natureza fundamental do Universo, você deve fazer perguntas sobre si mesmo. Atualmente, o LHC é nossa melhor ferramenta para fazer isso, juntamente com sua próxima atualização de alta luminosidade. Se quisermos continuar aprendendo, devemos nos preparar para ir além do LHC também.

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)

A razão pela qual o LHC é uma ferramenta tão poderosa não é simplesmente pelos dados que coleta. Claro, ele coleta uma quantidade incrível de dados, colidindo grupos de prótons em outros grupos de prótons a 99,999999% da velocidade da luz a cada poucos nanossegundos. As colisões resultam em detritos que se espalham pelos enormes detectores construídos em torno dos pontos de colisão, registrando os rastros de partículas que saem e nos permitindo reconstruir o que foi criado e como.

Mas há outro componente crítico nessa história: entender o Modelo Padrão de partículas elementares. Cada partícula no Universo obedece às leis da física de partículas, o que significa que existem acoplamentos e interações entre as partículas, tanto reais quanto virtuais.

O bóson de Higgs, com sua massa agora conhecida, acopla-se aos quarks, léptons e bósons W e Z do Modelo Padrão, que lhes dá massa. O fato de não se acoplar diretamente ao fóton e glúons significa que essas partículas permanecem sem massa. Fótons, glúons e bósons W e Z acoplam-se a todas as partículas que experimentam as forças nucleares eletromagnética, forte e fraca, respectivamente. Se houver partículas adicionais por aí, elas também podem ter esses acoplamentos. (TRITERTBUTOXY NA WIKIPEDIA INGLESA)

Tem massa? Você acasala com o Higgs. Isso inclui o bóson de Higgs, que se acopla a si mesmo.

Tem cargas elétricas, fracas ou fortes? Você acopla aos bósons apropriados: os fótons, W-e-Z, ou glúons, respectivamente.

E isso não é o fim, pois tudo o que esses bósons juntam também desempenha um papel. Por exemplo, o próton é feito de três quarks: dois quarks up e um quark down, que se acoplam à força forte através dos glúons. No entanto, se mudarmos a massa do quark top de 170 GeV para cerca de 1000 GeV, a massa do próton aumentaria cerca de 20%.

À medida que melhores experimentos e cálculos teóricos surgiram, nossa compreensão do próton ficou mais sofisticada, com glúons, quarks do mar e interações entre eles e os quarks de valência entrando em ação. Mesmo o quark top, o mais pesado de todos, afeta profundamente a massa do próton. (LABORATÓRIO NACIONAL DE BROOKHAVEN)

Em outras palavras, as propriedades das partículas que conhecemos dependem do conjunto completo de todas as outras partículas lá fora, mesmo aquelas que ainda não detectamos. Se estivermos procurando algo além do Modelo Padrão, a maneira mais óbvia é criar uma nova partícula e simplesmente encontrá-la.

Mas o que é muito mais provável que façamos na prática é:

1. criar um grande número de partículas que já conhecemos,
2. calcular o que coisas como taxas de decaimento, taxas de ramificação, amplitudes de dispersão, etc., são apenas para o Modelo Padrão,
3. medir o que essas taxas de decaimento, taxas de ramificação, amplitudes de dispersão, etc., realmente são,
4. e comparar com as previsões do Modelo Padrão.

Se o que observamos e medimos é idêntico ao que o Modelo Padrão prevê, então qualquer coisa nova – e sabemos que há coisas novas que devem existir no Universo – não modifica nossos observáveis ​​em mais do que a incerteza da medição. Até agora, é isso que todos os colisores do LHC revelaram: partículas que se comportam em perfeito acordo com o Modelo Padrão.

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 das fronteiras conhecidas de energia e precisão. (PROJETO DE EDUCAÇÃO FÍSICA CONTEMPORÂNEA / DOE / NSF / LBNL)

Mas 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 variedade de cenários exóticos. Alguns deles são cenários que ainda nem imaginamos, mas o sonho da física de partículas é que novos dados mostrem o caminho. 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, começamos a obter dados como nunca tivemos antes.

Se pudermos olhar para dados significativos que nos levam de 3 a 5 a 7 casas decimais, começamos a nos tornar sensíveis a acoplamentos a partículas que não podemos criar. 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 de Higgs ou quarks top, pode revelá-las.

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 o tamanho dos atuais túneis subterrâneos. Uma vez construído, o FCC significa 'Frontier Circular Collider'. (ESTUDO CERN / FCC)

É por isso que precisamos de um futuro colisor. Um que vai além do que o LHC é capaz. E surpreendentemente, o próximo passo lógico não é ir para as energias mais altas, mas para as mais baixas com uma precisão muito maior. Essa é a primeira etapa dos planos que estão sendo lançados no CERN para o FCC: o futuro colisor circular . Em última análise, um colisor hádron-hádron, no mesmo túnel, poderia quebrar o limite de 100 TeV para colisões: um aumento de sete vezes em relação à energia máxima do LHC. (Você pode jogue com um aplicativo interativo aqui para ver o que os aumentos de energia e o número de colisões fazem para revelar as fronteiras inexploradas da física.)

A maioria das pessoas não se lembra disso, mas antes do LHC, esse mesmo túnel de 27 quilômetros abrigava um colisor diferente: o LEP. LEP significava o Large Electron-Positron Collider, onde, em vez de prótons, elétrons e suas contrapartes de antimatéria (positrons) eram acelerados a velocidades incrivelmente rápidas e esmagados. Isso veio com uma enorme vantagem e uma enorme desvantagem sobre os colisores próton-próton.

A escala do futuro Colisor Circular proposto (FCC), comparada com o LHC atualmente no CERN e o Tevatron, anteriormente operacional no Fermilab. (PCHARITO / WIKIMEDIA COMMONS)

Elétrons e pósitrons são quase 2.000 vezes mais leves que prótons, o que significa que eles podem se aproximar muito mais da velocidade da luz do que prótons com a mesma energia. O LEP acelerou os elétrons até energias máximas de 104,5 GeV, o que se traduz em uma velocidade de 299.792.457,9964 metros por segundo. No LHC, os prótons atingem energias muito maiores: 6,5 TeV cada, ou cerca de 60 vezes maiores que as energias do LEP. Mas sua velocidade é de apenas 299.792.455 m/s. Eles são muito mais lentos.

A razão para as energias máximas mais baixas para elétrons e pósitrons é que suas massas são muito leves. Partículas carregadas irradiam energia quando estão em campos magnéticos, através de um processo conhecido como radiação síncrotron . Quanto maior a sua relação carga-massa, mais você irradia, o que limita sua velocidade máxima. Os colisores elétron-pósitron estão fadados a energias mais baixas; essa é a desvantagem deles.

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, mas podem ser criadas em maior abundância e com propriedades mensuráveis ​​em um colisor elétron-pósitron de próxima geração. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Mas sua vantagem é que o sinal é perfeitamente limpo. Elétrons e pósitrons são partículas fundamentais, pontuais. Se você tem um elétron e um pósitron com energias de, digamos, 45,594 GeV cada, então você pode produzir bósons Z (com massa de repouso 91,188 GeV/c²) espontaneamente e em grande abundância. Se você pode ajustar sua energia do centro de massa para igualar a massa de repouso da partícula (ou pares de partículas, ou pares de partículas-antipartículas) que você espera criar, via Einstein E = mc² , você pode basicamente construir uma fábrica para produzir quaisquer partículas instáveis ​​que desejar.

Em um futuro colisor, isso significa produzir Ws, Zs, quarks top (e antitop) e bósons de Higgs à vontade. Quando você constrói um acelerador de partículas, seu raio e a força de seus campos magnéticos determinam a energia máxima de suas partículas. Com o Colisor Circular Futuro de 100 km proposto, mesmo colidindo simples elétrons e pósitrons, podemos fazer cada partícula do Modelo Padrão à vontade, em grande abundância, quantas vezes quisermos.

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)

Mesmo em energias mais baixas do que o LHC, um colisor elétron-pósitron maior tem o potencial de sondar a física como nunca antes. Por exemplo:

• Se houver quaisquer novas partículas que existam abaixo de cerca de 10 TeV em energia (e até 70 TeV para certas classes de nova física), seus efeitos indiretos devem aparecer na produção e decaimento das partículas do Modelo Padrão, ou nas relações de massa entre elas.
• Podemos estudar ainda mais como o Higgs se acopla com partículas do Modelo Padrão, incluindo ele próprio, bem como partículas além do Modelo Padrão.
• Podemos determinar se há decaimentos invisíveis adicionais, onde os produtos não são vistos, além dos neutrinos do Modelo Padrão.
• Podemos medir todos os decaimentos de partículas de vida curta (como o bóson de Higgs ou o quark top, ou mesmo os b-quarks e τ léptons) com uma precisão maior e sem precedentes.
• Podemos procurar, restringir e, em alguns casos, descartar partículas exóticas, não apenas de supersimetria, mas de outros cenários, como neutrinos estéreis.
• E, potencialmente, podemos até aprender como a simetria eletrofraca quebra e que tipo de transição (envolvendo ou não tunelamento quântico) a quebra.

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)

Antes de considerarmos um colisor em energias mais altas, construir um colisor precisamente ajustado capaz de criar todas as partículas conhecidas em abundância é um acéfalo. Já foram investidos recursos consideráveis ​​em um colisor linear para elétrons e pósitrons, como o proposto CLIQUE e ILC , mas tecnologias semelhantes também se aplicariam a um grande túnel circular com elétrons e pósitrons acelerando e colidindo dentro.

É uma maneira de empurrar as fronteiras da física para um território desconhecido usando tecnologia que já existe. Nenhuma nova invenção é necessária, mas o benefício exclusivo de um futuro colisor circular de léptons é que ele pode ser atualizado.

No início dos anos 2000, substituímos o LEP por um colisor próton-próton: o LHC. Também poderíamos fazer isso para este futuro colisor: mudar para prótons em colisão assim que os dados de elétron-pósitron forem coletados. Se houver alguma sugestão de física nova, além do Modelo Padrão, nas energias que um futuro colisor alcança - abordando problemas da bariogênese ao problema da hierarquia e ao quebra-cabeça da matéria escura - o colisor próton-próton realmente fará essas novas partículas.

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)

Para entender ainda melhor o auto-acoplamento de Higgs, um colisor de hádrons-hádrons de ~100 TeV será a ferramenta ideal, produzindo mais de 100 vezes o número de bósons de Higgs do que o LHC jamais criará. Uma versão próton-próton de um Future Circular Collider pode usar o mesmo túnel que a versão lépton-lépton e empregará tecnologia de última geração para seus eletroímãs, atingindo forças de campo de 16 T, que é o dobro da força magnética do LHC. (Esses ímãs serão um desafio tecnológico formidável para as próximas duas décadas.) É um plano ambicioso que nos permite planejar pelo menos dois colisores no mesmo túnel.

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

Um futuro colisor de hádrons-hádrons em um Future Circular Collider também medirá decaimentos raros do bóson de Higgs, como decaimentos para dois múons ou um bóson Z e um fóton, bem como o acoplamento do quark Higgs-top com precisão de ~ 1%. Se houver novos bósons, forças fundamentais ou sinais de bariogênese na escala eletrofraca ou mesmo um fator de ~1000 mais alto, a encarnação próton-próton proposta do Future Circular Collider encontrará a evidência. Nem um colisor elétron-pósitron ou o LHC pode fazer isso.

Ao todo, a versão hádron-hádron do FCC coletará 10 vezes mais dados do que o LHC coletará (e 500 vezes mais do que temos hoje), enquanto atinge energias sete vezes maiores que o máximo do LHC. É uma proposta incrivelmente ambiciosa, mas que está ao nosso alcance até a década de 2030, se planejarmos hoje.

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. (JOACHIM MEYER; DESY/HERA)

Há também uma fase III que envolve sondar as fronteiras da física de uma maneira totalmente diferente: colidindo elétrons de alta energia, em uma direção, com prótons de alta energia na outra. Os prótons são partículas compostas, formadas por quarks e glúons em seu interior, juntamente com um mar de partículas virtuais. Os elétrons, por meio de processos como espalhamento inelástico profundo, são o melhor microscópio proverbial para sondar a estrutura interna dos prótons. Se quisermos entender a subestrutura da matéria, as colisões elétron-próton são o caminho a seguir, e a FCC ultrapassaria a fronteira onde experimentos anteriores, como o colisor HERA no DESY, nos levaram.

Entre os efeitos indiretos que um colisor elétron-pósitron pode ver, as novas partículas diretas que podem surgir de colisões próton-próton e a maior compreensão de mésons e bárions que um colisor elétron-próton trará, temos todos os motivos para esperar que alguns pode surgir um novo sinal físico.

O que faremos a seguir, então, se houver uma nova física lá? E se houver novas partículas descobertas nessas energias mais altas? Qual o proximo?

A trilha em forma de V no centro da imagem é provavelmente um múon decaindo para um elétron e dois neutrinos. A trilha de alta energia com uma torção é evidência de um decaimento de partículas no ar. Ao colidir pósitrons e elétrons em uma energia específica e ajustável, pares múon-antimúon podem ser produzidos à vontade, fornecendo as partículas necessárias para um futuro colisor de múons. (O ROADSHOW DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA ESCOCÊS)

Não precisamos necessariamente construir um colisor ainda maior para estudá-los melhor. Se houver uma nova física em uma escala de energia muito alta, poderíamos investigá-la em profundidade com uma potencial fase IV para um Colisor Circular Futuro: um colisor múon-antimúon no mesmo túnel. O múon é como um elétron: é uma partícula pontual. Ele tem a mesma carga, exceto que é aproximadamente 207 vezes mais pesado. Isso significa algumas coisas extremamente boas:

• pode atingir energias muito mais altas alcançando as mesmas velocidades,
• fornece uma assinatura limpa e ajustável em termos de energia,
• e, ao contrário dos elétrons, por causa da razão carga-massa muito menor, sua radiação síncrotron pode ser desprezada.

É uma ideia brilhante, mas também um tremendo desafio. A desvantagem é singular, mas substancial: os múons decaem com um tempo de vida médio de apenas 2,2 microssegundos.

Um plano de projeto anterior (agora extinto) para um colisor múon-antimúon em grande escala no Fermilab, a fonte do segundo acelerador de partículas mais poderoso do mundo. (FERMILAB)

Isso não é um dealbreaker, no entanto. Múons (e antimúons) podem ser feitos de forma muito eficiente através de dois métodos: um colidindo prótons com um alvo fixo, produzindo pions carregados que decaem em múons e antimúons, e um segundo colidindo pósitrons em torno de 44 GeV com elétrons em repouso, produzindo pares múon/antimúon diretamente.

Podemos então usar campos magnéticos para dobrar esses múons e antimúons em um círculo, acelerá-los e colidi-los. Se os fizermos rápido o suficiente em uma escala de tempo curta o suficiente, os efeitos de dilatação do tempo da relatividade de Einstein os manterão vivos por tempo suficiente para colidir e produzir novas partículas. Poderíamos, em princípio, atingir energias de ~100 TeV com um sinal limpo em um colisor de múons desta forma: aproximadamente 300 vezes mais energético que um futuro colisor de elétrons/pósitrons.

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. Também é possível que a nova física do modelo além do padrão possa existir em pequenas massas ou energias, mas com acoplamentos muito pequenos para um colisor terrestre sondar. Independentemente de qual cenário seja verdadeiro, a única maneira que saberemos é olhar. ( UNIVERSE-REVIEW.CA )

Antes da descoberta do Higgs, usávamos o termo cenário de pesadelo para descrever como seria para o LHC encontrar o modelo padrão Higgs e nada mais. Realisticamente, não é um pesadelo descobrir o Universo exatamente como ele é. Pode não haver partículas adicionais ou comportamento anômalo, além do Modelo Padrão, para descobrir com qualquer colisor terrestre que possamos construir, é verdade. Mas também pode haver muitas descobertas novas e inesperadas em escalas e precisões que o LHC será incapaz de acessar.

A única maneira de saber a verdade sobre o nosso Universo é fazer essas perguntas. Descobrir quais são as leis da natureza e como as partículas se comportam é um passo adiante para o conhecimento humano e todo o empreendimento da ciência. O único pesadelo verdadeiro seria se parássemos de explorar e desistissemos antes mesmo de olharmos para tudo.

O autor agradece a Panos Charitos, Frank Zimmermann, Alain Blondel, Patrick Janot, Heather Gray, Markus Klute e Matthew McCullough do CERN por discussões e emails incrivelmente úteis e informativos sobre o potencial de um futuro colisor pós-LHC.

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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