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O Grande Colisor de Hádrons 'Quebrar' o Modelo Padrão?

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. (CERN)

Precisamos de mais e melhores dados para saber, mas é exatamente isso que está por vir.

Nas últimas décadas, vários avanços importantes ajudaram a revolucionar nossa imagem do Universo. A evidência astrofísica para a matéria escura é esmagadora, nos ensinando que a maioria da massa em nosso Universo não surge de nenhuma das partículas que conhecemos. A expansão do Universo está se acelerando, revelando a existência de um novo tipo de energia – energia escura – que parece inerente ao espaço vazio. Nós temos inventou supercondutores de temperatura ambiente , descoberto cada partícula fundamental no Modelo Padrão (incluindo o indescritível bóson de Higgs), revelou a natureza massiva do neutrino , e tornou os relógios atômicos tão precisos que podem medir a diferença na velocidade com que o tempo passa quando estão separados por apenas 30 cm.

E, no entanto, de muitas maneiras, nossa imagem do que compõe o Universo não avançou significativamente em mais de 40 anos. Nenhuma partícula fora do Modelo Padrão apareceu em nenhum de nossos colisores - em altas ou baixas energias - e nossos maiores conjuntos de dados de todos os tempos não revelaram surpresas robustas e repetíveis para a física fundamental. É importante ressaltar que muitas de nossas maiores ideias, incluindo supersimetria, dimensões extras, leptoquarks, tecnicolor e teoria das cordas, não fizeram previsões que foram confirmadas por experimentos. Ainda assim, muitos estão entusiasmados com uma possível sugestão de nova física no Grande Colisor de Hádrons (LHC). Mesmo que você seja otimista, é importante ser cético. Aqui está o motivo.

As partículas e antipartículas do Modelo Padrão da física de partículas estão exatamente de acordo com o que os experimentos exigem, com apenas neutrinos massivos fornecendo uma dificuldade e exigindo física além do modelo padrão. A matéria escura, seja o que for, não pode ser nenhuma dessas partículas, nem pode ser um composto dessas partículas. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

A maioria de nós, quando pensamos no Modelo Padrão, pensamos nas partículas indivisíveis que existem em nosso Universo. Existem os quarks e glúons: os constituintes fundamentais dos prótons, nêutrons e todos os seus primos mais pesados ​​e mais leves. Existem os léptons, incluindo o elétron, o múon e o tau, além de todos os neutrinos. Existem as antipartículas: as contrapartes de antimatéria dos quarks e léptons. E também existem os bósons fracos – o W+, W- e Z0 – assim como o fóton, mediador da força eletromagnética, e o bóson de Higgs.

Mas o Modelo Padrão também é muito mais do que uma estrutura para as partículas fundamentais que existem (e podem existir) dentro do nosso Universo. Ele também fornece uma descrição completa de todos os campos quânticos que existem entre essas partículas, que encapsula como cada partícula existente interage com todas as outras partículas existentes. A massa do próton depende dos acoplamentos quark-glúon e glúon-glúon que incluem até partículas massivas como o quark top; se mudássemos qualquer um dos parâmetros do Modelo Padrão, incluindo massas de repouso ou acoplamentos, haveria muitas consequências que se revelariam experimentalmente a nós.

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. (COLABORAÇÃO JIM PIVARSKI / FERMILAB / CMS)

Ao longo de muitas décadas, os teóricos propuseram extensão após extensão ao Modelo Padrão. Talvez existam campos extras que surgem como consequência da Grande Unificação. Talvez existam partículas extras que surgem de simetrias adicionais. Talvez existam novos decaimentos ou acoplamentos que possam se mostrar em altas energias ou com a produção de um grande número de partículas raras e instáveis. Sabemos que existem muitos quebra-cabeças que não podem ser resolvidos com a física como a conhecemos, desde a matéria escura até por que há mais matéria do que antimatéria até por que as partículas têm os valores de massa que têm, entre outros. No entanto, o Modelo Padrão, não importa como o ajustemos, não oferece soluções viáveis ​​por si só.

A esperança original de muitos era que o Grande Colisor de Hádrons (LHC) no CERN – o acelerador de partículas mais poderoso da história da humanidade – revelasse não apenas o bóson de Higgs, mas algumas pistas sobre muitos desses mistérios não resolvidos. A maneira como ele faz isso é brilhante: ao produzir um grande número de colisões de alta energia, partículas exóticas e instáveis ​​são criadas em grande número. Esses eventos são então rastreados e registrados pelos maiores detectores de partículas do mundo, identificando a energia, o momento, as cargas elétricas e muitas outras propriedades de tudo o que sai.

O CMS Collaboration, cujo detector é mostrado antes da montagem final aqui, é um dos maiores e mais densos detectores já construídos. As partículas que colidem no centro farão rastros e deixarão detritos que depositam energia no detector, permitindo aos cientistas reconstruir as propriedades e energias de quaisquer partículas criadas durante o processo. Este método é lamentavelmente inadequado para medir as energias dos raios cósmicos. (CERN/MAXIMLIEN BRICE)

Se o Modelo Padrão – todas as suas partículas e interações – fossem legitimamente tudo o que existia, poderíamos calcular precisamente o que veríamos. Haveria novas partículas criadas com probabilidades particulares que correspondiam aos parâmetros particulares de cada colisão. As novas partículas que vieram a existir, então, decairiam de um determinado conjunto de maneiras:

• com vidas particulares,
• em conjuntos de partículas que são permitidas,
• com proporções particulares,
• e não em outros grupos de partículas que são proibidos,

tudo de acordo com as regras do Modelo Padrão.

O que estamos basicamente fazendo é testar o Modelo Padrão com uma precisão incrível e procurar possíveis desvios. A maioria das ideias que examinamos inicialmente não deu certo no LHC: o Higgs não é uma partícula composta, não há partículas supersimétricas de baixa energia, a evidência de dimensões extras grandes ou distorcidas não existe, e parece ser apenas uma partícula de Higgs em vez de muitas. Mas isso não significa que tudo o que vimos está em perfeita concordância com as previsões do Modelo Padrão.

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. (A COLABORAÇÃO ATLAS / CERN)

Sempre que você colide um grande número de partículas em altas energias, você criará partículas pesadas, raras e instáveis, desde que sejam permitidas por A equação mais famosa de Einstein: E = mc² . Essas partículas viverão por um curto período de tempo e depois decairão. Se você puder criar um número suficiente deles, poderá testar o Modelo Padrão com algum nível de rigor matemático. Como existem previsões explícitas sobre a frequência com que qualquer partícula que você cria deve decair de uma maneira específica, medir a frequência desses decaimentos com precisão, criando um número enorme dessas partículas, coloca o Modelo Padrão à prova.

E há muitas, muitas maneiras pelas quais acreditamos genuinamente que a física deve, de alguma forma, ir além do Modelo Padrão. Por exemplo, a gravidade não é tratada como uma interação quântica, mas sim como um fundo clássico e imutável pelo Modelo Padrão. Prevê-se que os neutrinos não tenham massa pelo Modelo Padrão, e não há matéria escura nem energia escura. O Modelo Padrão não explica tudo o que vemos sobre o nosso Universo, e prevemos totalmente que, em algum nível, pode haver campos, partículas, interações, dimensões ou mesmo física adicionais além do nosso Universo observável que podem estar nos afetando.

As partículas do Modelo Padrão e suas contrapartes supersimétricas. Pouco menos de 50% dessas partículas foram descobertas e pouco mais de 50% nunca mostraram um traço de sua existência. A supersimetria é uma ideia que espera melhorar o Modelo Padrão, mas ainda precisa fazer previsões bem-sucedidas sobre o Universo na tentativa de suplantar a teoria predominante. Se não houver supersimetria em todas as energias, a teoria das cordas deve estar errada. (CLAIRE DAVID/CERN)

Claro, o grave perigo – e já fizemos isso muitas vezes no passado – é que podemos ver algo inesperado e chegar a uma conclusão incorreta. Sabemos como as probabilidades devem ser quebradas e o que esperar, mas observar algo diferente não significa necessariamente que há uma nova física aparecendo aqui. Às vezes, há apenas uma flutuação estatística improvável.

Neste caso específico, vemos B. -mésons, que são partículas que contêm quarks bottom (o segundo quark mais pesado, atrás do top), decaindo para um par elétron/pósitron ou um par múon/antimúon . Em teoria, esses dois decaimentos deveriam ocorrer na mesma taxa; na prática, vemos que uma fração ligeiramente maior do que o esperado de partículas decai em múons e antimúons em comparação com elétrons e pósitrons.

Mas em termos de significância estatística – onde perguntamos, quão confiantes estamos de que este não é apenas um resultado improvável, mas perfeitamente normal? – a resposta não é muito boa: temos apenas 99,8% de certeza de que isso é fora do comum.

Um méson B em decomposição, como mostrado aqui, pode decair com mais frequência para um tipo de par de léptons do que para o outro, contrariando as expectativas do Modelo Padrão. Há evidências sugestivas disso há muitos anos, mas ainda não ultrapassou o limite necessário para declarar uma descoberta robusta. (COLABORAÇÃO KEK / BELLE)

Você pode parecer incrédulo: se temos 99,8% de certeza, estatisticamente, de que algo está fora do comum, por que consideraríamos isso não muito bom? Eu gosto de pensar nisso em termos de lançamentos de moedas. Se você jogasse uma moeda dez vezes seguidas e obtivesse resultados idênticos todas as dez vezes – resultados de 10 caras ou 10 coroas, consecutivamente – você declararia que isso é extremamente improvável. Na verdade, as chances disso acontecer são de apenas 1 em 512, ou 0,02%: aproximadamente as mesmas chances de obter o resultado que o LHC viu com esses B. -mésons.

Mas pense no que aconteceria se, em vez de dez jogadas, você jogasse a moeda 1000 vezes. Agora, quais são as chances de que em algum lugar nessa sucessão de 1.000 lançamentos de moedas, você obteria uma string onde você viu 10 caras ou 10 coroas consecutivamente? Talvez surpreendentemente, apenas 14% das vezes você nunca veria uma sequência de 10 resultados idênticos seguidos. Em média, você esperaria obter o mesmo resultado 10 vezes seguidas cerca de 3 vezes em 1000 lances: às vezes mais, às vezes menos.

Dez lançamentos aleatórios de moedas podem resultar em qualquer uma das 1024 possibilidades, todas com igual probabilidade. Embora essa sequência exata de HHTTTHHHHH tenha a mesma probabilidade que qualquer outra, o fato de ter cinco caras seguidas é uma característica relativamente improvável. Se a moeda é tendenciosa ou não, não pode ser determinado a partir deste único teste. (1998–2020 RANDOM.ORG)

No LHC, temos muitas classes diferentes de resultados improváveis ​​que estamos procurando. Tal como está, o LHC descobriu mais de 50 novas partículas compostas e criou centenas de tipos diferentes de partículas que já existiam. Cada um tem, normalmente, um ou dois punhados de maneiras de decair, algumas das quais são extremamente raras e outras são muito mais prováveis. Não é exagero dizer que existem literalmente milhares de maneiras pelas quais a nova física poderia aparecer no LHC, e estamos procurando por cada uma delas que sabemos procurar.

É por isso que, quando analisamos dados que não se alinham com as previsões do Modelo Padrão, queremos ter certeza de que eles ultrapassaram um limite inequívoco de confiança. Queremos ter tanta certeza de que não é uma flutuação estatística improvável que estamos vendo que não fiquemos impressionados com 95% de confiança (um resultado de dois sigma), com 99,7% de confiança (um resultado de três sigma, que é qual é este último anúncio), ou mesmo por 99,99% de confiança (um resultado de quatro sigma). Em vez disso, na física de partículas – para evitar nos enganar exatamente dessa maneira, como fizemos muitas vezes ao longo da história – exigimos que haja apenas uma chance em 3,5 milhões de que uma descoberta seja um acaso. Somente quando cruzamos esse limite de significância podemos declarar que fizemos uma descoberta robusta.

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))

O que é frustrante na situação atual é que muitos comentaristas estão julgando se esse resultado provavelmente se manterá ou não, quando isso não é algo que temos as informações necessárias para concluir. Pode ser evidência de uma nova partícula, como um leptoquark ou uma partícula Z' (pronuncia-se zee-prime). Poderia sinalizar um novo acoplamento no setor lépton. Poderia até ajudar a explicar a assimetria matéria-antimatéria no Universo, ou ser indicativo de um neutrino estéril.

Mas também pode ser apenas uma flutuação estatística. E sem mais dados – e está chegando, já que o LHC até agora coletou apenas cerca de 2% dos dados que coletará ao longo de sua vida útil – não temos como diferenciar esses cenários. Ao longo de sua história, o LHC viu muitos decaimentos inesperados envolvendo partículas contendo quarks inferiores; recentemente, a colaboração LHCb (onde o b indica seu foco em partículas contendo quark bottom) anunciou um decaimento completamente diferente que poderia desafiar o Modelo Padrão expectativas. O que teremos que fazer é, à medida que coletamos mais dados, analisar todas essas várias anomalias juntas. Somente quando, combinados, seu significado cruzar esse padrão-ouro de significância, receberemos um anúncio de descoberta tão confiante quanto estávamos com o Higgs.

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. Ainda assim, com 50 vezes mais dados vindo em nossa direção, mesmo pequenos desvios das previsões do Modelo Padrão podem mudar o jogo. (ANDRÉ DAVID, VIA TWITTER)

No momento, o LHC está passando por uma atualização de alta luminosidade, o que deve aumentar significativamente a taxa de colisões que aparecem em nossos detectores. Devemos ter em mente que surgiram muitos choques inesperados nos dados - um excesso de diboson , para colisão de difótons , proporções inesperadas de decaimentos de Higgs — e desapareceu quando posteriormente coletamos mais dados. Não podemos saber como será esse experimento, e é por isso que temos que realizá-lo.

Muitos físicos estão animados com as possibilidades, enquanto outros são mais pessimistas. No entanto, o aspecto mais importante disso é que todos são adequadamente cautelosos, praticando ciência responsável em vez de declarar prematuramente uma nova descoberta. Há muitas dicas de nova física por aí, mas não podemos ter certeza de quais se manterão e quais se tornarão meros acasos estatísticos. O único caminho a seguir é coletar o máximo de dados possível e examinar o conjunto completo e sintetizado de todos eles. A única maneira de revelarmos os segredos da natureza é colocar a questão ao próprio Universo e ouvir o que quer que ele diga. A cada nova colisão que criamos em nossos detectores, mais nos aproximamos daquele momento inevitável, mas crítico, que os físicos de todo o mundo aguardam.

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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