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O LHC será o fim da física de partículas experimental?

Crédito da imagem: CERN/Maximlien Brice, do detector CMS, o pequeno detector do LHC.

Se houver apenas um Higgs, sem decaimentos inesperados e sem novas partículas pesadas e fundamentais, tudo pode ter acabado.

Não há nada de novo a ser descoberto na física agora. Tudo o que resta é uma medição cada vez mais precisa. – Lorde Kelvin

No final do século 19, nossa compreensão fundamental da matéria passou por uma revolução. Enquanto anteriormente a matéria era organizada em uma tabela periódica contendo cerca de 100 elementos diferentes, logo se percebeu que o que considerávamos ser os blocos de construção indivisíveis da natureza – átomos (literalmente incortável em grego) — eram eles próprios feitos de partículas menores.

Com o átomo, havia elétrons por toda parte, carregados negativamente. Logo depois, o núcleo carregado positivamente foi descoberto, seguido pela descoberta individual de prótons e nêutrons, que se revelaram divisíveis em quantidades ainda menores: quarks e glúons.

Crédito da imagem: Paul Wissmann, via Santa Monica College em http://homepage.smc.edu/wissmann_paul/anatomy2textbook/quarks.html .

Quando chegamos aos dias atuais, chegamos à revelação de que toda a matéria que conhecemos é composta de uma enorme quantidade de partículas verdadeiramente indivisíveis:

• seis quarks e seis antiquarks, em três cores cada,
• três léptons carregados e três léptons neutros (neutrinos), juntamente com suas antipartículas correspondentes,
• oito glúons, que são responsáveis ​​pela força nuclear forte,
• o fóton, responsável pela força eletromagnética,
• os bósons W-e-Z, responsáveis ​​pela força nuclear fraca,
• e o bóson de Higgs, uma partícula massiva única e solitária que surge como consequência do campo responsável pela massa de repouso de todas as partículas fundamentais.

Crédito da imagem: E. Siegel.

Este é o Modelo Padrão de partículas e interações e, com apenas algumas exceções notáveis, descreve tudo o que é conhecido no Universo. (As exceções são a força da gravidade, a existência e propriedades da matéria escura e da energia escura, e a origem da assimetria matéria-antimatéria no Universo, entre outras mais esotéricas.) O Modelo Padrão funciona perfeitamente, o que é dizer que em todos os experimentos que já realizamos, e com todos os resultados que já observamos, as previsões dessas partículas e forças, e suas interações, seções transversais, amplitudes e taxas de decaimento concordam exatamente .

Isso, por si só, é um problema.

Crédito da imagem: a colaboração ATLAS / CERN, recuperada da Universidade de Edimburgo.

Veja, existem alguns problemas reais inexplicáveis ​​na física fundamental que os físicos estão na esperança o Grande Colisor de Hádrons poderia lançar alguma luz. Alguns deles foram mencionados anteriormente, incluindo:

• Do que é feita a matéria escura e qual é a partícula responsável por ela?
• Por que vemos a violação de CP nas interações fracas, mas não nas interações fortes?
• Qual é a natureza da assimetria matéria-antimatéria e quais são os processos de violação do número bariônico responsáveis ​​por ela?
• E por que as massas dessas partículas fundamentais (entre 1 MeV e 180 GeV) muito menos do que a escala de Planck, que está em incríveis 10^19 GeV?

Se tudo o que temos é o Modelo Padrão, então nenhuma dessas perguntas tem respostas que possamos saber.

Crédito da imagem: Universe-review.ca.

Mas há muitas extensões teóricas ao Modelo Padrão que oferecem esperança. Em todos os cenários fisicamente interessantes que criamos, as soluções para esses problemas têm duas coisas em comum:

1. Eles indicam que, quando criamos as partículas instáveis ​​do Modelo Padrão em abundância suficiente, as veremos decair de maneiras que diferem – repetitivamente e com imensa significância estatística – das previsões do Modelo Padrão sozinho.
2. Todos eles preveem, em energias suficientemente altas, que existirão novas partículas fundamentais (indivisíveis). não encontrado no Modelo Padrão.

As opções para o que a física pode estar além do Modelo Padrão incluem supersimetria, tecnicolor, dimensões extras e muito mais. Mas essas opções só são interessantes – da perspectiva de um experimentalista, e não de um teórico – se deixarem uma assinatura que possa ser detectada pelos experimentos que podemos realizar.

Crédito da imagem: Colaboração CERN/LHCb.

No LHC, isso significa que os desvios das taxas de decaimento previstas do Modelo Padrão precisam estar ao alcance dos experimentos em questão. Se o Modelo Padrão prevê que, digamos, uma partícula deve decair em um lépton tau com uma razão de ramificação de 1,1 × 10^-6 e um lépton múon com uma razão de ramificação de 1,8 × 10^-5, isso significa que você tem que criar pelo menos dezenas de milhões dessa partícula e observar seus decaimentos precisamente para fazer essa medição.

Porque se você criar apenas dez milhões dessas partículas e observar que 180 delas decaem em múons e 14 delas decaem em taus, você não pode conclua que você encontrou física além do Modelo Padrão; você não tem estatísticas suficientes.

Crédito das imagens: colaboração ATLAS (L), via http://arxiv.org/abs/1506.00962 ; Colaboração CMS (R), via http://arxiv.org/abs/1405.3447 .

Isso é incrivelmente difícil quando você considera que só fizemos medições detalhadas da ordem de milhares de eventos em que criamos as partículas fundamentais mais pesadas: o bóson de Higgs e o quark top. Se pudéssemos construir uma fábrica para criar essas partículas, poderíamos medir seus decaimentos com as precisões (praticamente) arbitrárias que gostamos, que é o que seria um colisor elétron-pósitron de alta energia proposto: o ILC (International Linear Collider) .

Mas isso só acontecerá se o LHC primeiro encontra evidências robustas de que esses decaimentos do Modelo não Padrão existem ou da existência de novas partículas. E as teorias que resolvem os problemas mencionados anteriormente prevêem ambos.

Crédito da imagem: Obra de Sandbox Studio, Chicago com Kimberly Boustead.

O problema é que a evidência que temos para física além do modelo padrão é incrivelmente fraco: é do nível de significância estatística que é irrelevante neste campo. A única razão pela qual as pessoas ficam empolgadas com esses resultados preliminares é que há literalmente nada mais para se emocionar. Se houver apenas uma partícula de Higgs encontrado no LHC, então ou a supersimetria não é real, ou está em escalas de energia que são irrelevantes para resolver os quebra-cabeças que foi projetado para resolver. Além disso, se não houver novas partículas encontradas abaixo de cerca de 2 a 3 TeV em energia – partículas que o LHC deve detectar se estiverem presentes – é uma suposição razoável de que pode não haver nada de novo para encontrar até escalas de energia de 100.000.000 TeV ou mais.

E mesmo se construirmos um acelerador de partículas com a capacidade máxima de nossa tecnologia em torno do equador da Terra , ainda não conseguimos alcançar essas energias.

Crédito da imagem: colaboração ILC.

Não é exagero prever que você verá uma enxurrada de artigos, apresentações e palestras nos próximos anos sobre o tema: Encontramos os primeiros sinais de física de partículas além do Modelo Padrão?

E se a resposta não for definitiva, essa é a lição: o Modelo Padrão pode ser tudo o que nossos colisores de partículas podem acessar em nossa vida. Não são as novas e excitantes descobertas que vão ganhar manchetes ou ganhar prêmios Nobel, mas, às vezes, é o que a natureza nos dá. Melhor aceitar a verdade decepcionante do que acreditar em uma mentira sensacionalista.

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