Os estudantes de ensino médio que estão caçando os segredos do universo

Quatro estudantes britânicos foram chamados para fora da sala. Eles estavam há dez dias das provas A-level, as que determinam que direção o resto de suas vidas tomaria, mas eles foram interrompidos de seus estudos para discutir os mais profundos segredos do universo, seu trabalho caçando o monopolo magnético no Grande Colisor de Hádrons.

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Claramente, eles gostariam mais de estar estudando do que sendo entrevistados. O desinteressado grupo sentou ao redor de uma mesa nos fundos de uma grande sala de ciência em uma escola de ensino médio em Canterbury, no Reino Unido. Os adolescentes, nenhum mais velho do que 16 anos, poderiam ser os Beatles do começo em seus uniformes de colégio combinando, estamos discutindo física de nível universitário.

Os jovens recrutas MoEDAL. Da esquerda: Thomas Jefferies, Andrew Nicoll, Paul Holland, Patrick Abbott. Foto: Ryan F. Mandelbaum/Gizmodo

“Os monopolos em si são bem ionizadores”, Andrew Nicoll de 16 anos me disse. “ mais que um próton. Eles perdem energia muito rapidamente. Nossos chips são feitos para detectar monopolos de vida muito curta”.

O monopolo é exatamente o que parece: Um imã com um polo. Pegue qualquer imã, ele tem um pólo sul e um norte. Corte ele no meio, e você vai ter dois ímãs, cada um com um pólo sul e um norte. Continue cortando, e cada pedaço terá dois pólos. Mas o monopolo, se ele existisse, só teria um polo. Linhas do campo magnético, ao invés de conectar o norte e o sul, apontariam para o infinito. As equações básicas do eletromagnetismo, as famosas equações de Maxwell, tem um óbvio espaço vazio que um monopolo poderia preencher. As equações com uma carga magnética, em outras palavras, um monopolo, seriam simétricas com cada termo magnético parecendo o termo elétrico correspondente. Em outras palavras as equações apenas pareceriam mais simpáticas.

Imãs em barra comuns tem dois polos, então eles às vezes são chamados de dipolos magnéticos. As linhas representando a conexão magnética a cada polo. Mas o monopolo magnético poderia ter apenas um polo, então suas linhas tendem ao infinito. Imagem: Dominguez, Daniel. Cortesia: CERN

Em 1894, O marido de Marie Curie, Pierre, pediu para os cientistas procurarem essa carga. Paul Dirac mostrou que a existência do monopolo era consistente com as regras da mecânica quântica, a teoria física que governa as menores partes da matéria. A muitas das mais grandiosas teorias do universo, teorias sobre as quais você provavelmente já ouviu como a teoria das cordas, teoria-m, e a teoria de tudo que une o eletromagnético com as forças nucleares fortes e fracas em grandes energias, todas precisam do monopolo. Algumas teorias dizem que devem existir muitos deles. Até agora não encontramos nenhum. Esses quatro meninos estão entre os mais recentes recrutas da Simon Langton Grammar School for Boys a se juntar ao grupo de cem pessoas da colaboração em Genebra, na Suiça, chamada MoEDAL (Monopole and Exotics Detector do LHC, pronunciado ‘médel’), de encontrar o monopolo e talvez outras partículas exóticas. Dado o pequeno tamanho da colaboração, James Pinfold, o porta voz do experimento e a Doutora Becky Parker, diretora do Institute for Research in Schools no Reino Unido, achou que era a chance perfeita para envolver estudantes de ensino médio em experimentos de física de ponta. Parker não quer nada mais do que o nome dos alunos na pesquisa científica. “Os estudantes não querem ser colaboradores”, ela disse. “Nós queremos mostrar que jovens podem fazer contribuições”.

O corpo do detector DELPHI disposto na caverna do LHCb foto: Ryan F. Mandelbaum/Gizmodo

Eles estariam contribuindo ao mais recente em uma longa história de tentativas mal sucedidas de encontrar a partícula fundamental que algumas pessoas identificam como a próxima descoberta na fila depois do anúncio do CERN do Higgs de Boson em 2012. Mas os físicos tem procurado o monopolo já há um bom tempo. Um time procurou assinaturas de corrente elétrica em nos anos 1970. O físico Buford Price notou alguma partícula de alta energia do espaço marcada por meio de 33 folhas de plástico acopladas a um balão e que era prova de um monopolo em 1975. Ele essa conclusão em 1978, alguns dizem por causa de times competidores. Blas Cabrera achou que encontrou um no se detector, um , mas não viu nenhum outro evento para confirmar que o seu não era um erro. Outros caçaram o monopolo no CERN no grande colisor de prótons e elétrons e no seu sucessor, o em operação Grande Colisor Hadron.

“Se nós descobrirmos o monopolo realmente seria uma configuração de David contra Golias”.

Muitas pessoas acham que ainda existe esperança, mas isso não quer dizer que tem que tomar uma forma que os cientistas irão detectar. Talvez logo após o Big Bang, a inflação do universo tenha espalhado muitos monopolos tão amplamente que eles se tornaram . Talvez sua massa seja grande de mais para ser produzida pelo Grande Colisor Hadron. Se o monopolo existisse nesses campos maciços de mais, “nós nunca seríamos capazes de produzir energia o bastante na Terra para criar eles”, disse o físico da universidade de Alberta, Richard Soluk o coordenador técnico do MoEDAL. “Esperamos que eles não estejam lá”, nesses campos pesados de mais para criar, ele diz. Pinfold, físico da Universidade de Alberta, é o porta-voz da colaboração MoEDAL. O ávido professor estava com seus cabelos brancos penteados para trás e sua camisa meio desabotoada quando o visitei na cafeteria do CERN. Eu teria comprado o experimento se ele tivesse tentado vendê-lo, mas alguém meio que precisa ser um vendedor quando coordena uma colaboração de cem pessoas para um experimento de milhões de dólares, comaprado com as milhares de pessoas fazendo os experimentos ATLAS ou CMS de centenas de milhares de dólares. “O nosso custo é pelo menos no fator de 100 mais barato do que outros experimentos do GCH”, ele disse. “Se nós descobrirmos o monopolo realmente seria uma configuração de David contra Golias”. Apesar do complicado nome do MoEDAL, não é nada como o ATLAS ou CMS os grande monstros comedores de metal do GCH. Parece o lugar certo para colocar os adolescentes caçadores de monopolos.

O experimento GCH. MoEDAL fica num pequeno canto do lado direito da foto. Foto: Ryan F. Mandelbaum/Gizmodo

O experimento vive em um galpão atrás de um McDonalds, ao lado de campos gramados e das amplas montanhas Jura. Seu elevador tem apenas dois andares, 0 e -1, levando a um buraco de noventa metros. No fundo, passando o gigante corpo azul cilíndrico de um detector de partículas descartado e depois de muitos metros de concreto branco cobrindo a vasta caverna iluminada de amarelo, dominada pelo experimento GCHb. Esse detector é uma pirâmide de 9 por 18 metros ao lado esquerdo do ponto de colisão da partícula. Do lado direito, depois de algumas escadas de metal em um canto do tamanho de um kitnet cerca o ponto, a primeira coisa que você percebe é uma pequena placa de circuito azul de LED conectada a cabos. É quando você nota que as paredes estão cobertas de grossas placas de plástico transparente com bordas de barra de alumínio. Cada camada plástica está marcada: MoEDAL. E é isso. Algumas paredes cobertas de plástico revestido de alumínio acoplados a um pequeno detector de silício tem a missão de descobrir o monopolo magnético. O oficial de imprensa do CERN estava tão impressionado em vê-lo quanto eu, nenhum jornalista tinha planejado uma viagem para vê-lo em pessoa ainda. O detector é simples porque ele faz tudo o que precisa fazer e nada mais. Um monopolo criado da energia de um par de prótons em colisão pode deixar um traço visível nos “detectores de rastro nuclear” de plástico MoEDAL. Se você se lembrar da física do ensino médio, um imã comum de dois polos passando por um fio enrolado manda uma corrente através do dio para um lado, então para o outro. Um monopolo passando através das barras de alumínio deve mostrar uma assinatura se a corrente passou em uma direção mas não voltou. Já o chip pixel de silício, o constante fluxo de detritos resultantes da colisão podem embaçar o plástico. O detector de partículas de ponta TimePix ajuda os cientistas a entenderem melhor que partículas de fundo embaçaram, para que seja melhor se proteger delas no futuro.

O experimento MoEDAL inclui a luz azul e as folhas de plástico na parede. O ponto de colisão do GCH está a direita. Foto Ryan F. Mandelbaum/Gizmodo

Isso o torna o experimento perfeito para ter a participação de estudantes de ensino médio, dada sua simplicidade. “Não como publicidade”, disse Pinfold. “Eles podem de fato fazer coisas”. Os estudantes são parte do programa Institute for Research in Schools (IRIS), que deixa estudantes de ensino médio fazerem parte de experimentos de ciência de verdade, como os do CERN, da Agência Espacial Européia e NASA. A sempre alegre Parker o comanda com a curiosidade, entusiasmo e excitação que você gostaria que todo estudante de ensino médio tivesse. Depois de visitar Langton durante o nosso tour de carro por Canterbury, ela parou o carro apenas para apreciar as flores nascendo ao lado da estrada. Ela pula dois passos para fora do carro estacionado. Hoje, seus estudantes focam naquele pequeno chip TimePix, que tira fotos das colisões, muitas fotos por segundo, gravando as partículas que acertam. Uma enxurrada de partículas de fundo aparecem na foto como pontos (partículas leves de alta energia) pequenos círculos (partículas alfa) e linhas retas ou curvas (múons ou elétrons). Treinar um computador para identificar essas partículas pode ser difícil. Mas as pessoas podem identificá-las com apenas um pouco de prática. “Foi incrível”, disse Pinfold. “Esses estudantes identificaram as características principais, de maneira quase perfeita”. Seu papel logo cresceu a partir da identificação de partículas. Anna Evans desde então se formou em Langton e agora estuda na Universidade de Manchester, mas estava no time do MoEDAL alguns anos atrás. Ela e seu time ajudou a desenvolver um programa de cidadãos para outros leigos ajudarem a identificar como o monopolo pode parecer no plástico. Seus colegas de classe logo viraram especialistas no chip TimePix. Eles identificaram anomalias apresentadas por pixels mortos. Eles escreveram propostas para conseguir mais chips no detector. Eles participaram pelo skype das reuniões de colaboradores do MoEDAL. Mas a pouca idade de Evans e seus colegas de classe podia ser um problema ao trabalhar com a colaboração. “As pessoas não reconheciam o que fizemos quando estávamos falando sobre”, ela disse. Hoje, os estudantes de Langton ainda estão checando os dados do TimePix. E ficou claro que esses meninos são bem mais do que algoritmos de computador humanos. Os quatro meninos com quem eu conversei deixam de jogar videogame para se encontrar depois da escola para tentar identificar que partículas acertaram sua pequena superfície. Um projeto gerencia, um cria teorias sobre os dados e sobre como o monopolo pode se apresentar. Um checa a pesquisa tentando entender o monte de física teórica necessária para compreender a partícula. Eles dissecam pesquisa do arXiv, o servidor de pesquisas de física que oferece PDFs grátis.

O chip TimePix pode detectar partículas de alta energia que saem das colisões de partícula. Foto: Ryan F. Mandelbaum/Gizmodo

“Não é sobre encontrar”, disse Nicoll. “É sobre melhorar o método de procura, e aprender como usar esses chips e implementar ideias”. Dúvidas sobre o trabalho dos estudantes somem assim que eles abrem suas bocas, disse Evans. Claro, “muita coisa nós não entendemos”, disse Evans. Mas eles são contribuidores reais. “Quando falamos sobre as coisas do TimePix, nós gastamos o tempo necessário para que eles parem para ouvir e dizer ‘Nossa. Isso é impressionante’”. Parker acha que seus estudantes são bons o bastante para fazer física com os colaboradores mais velhos. “Eles chegam cheios de ideias sobre como desenvolver o MoEDAL, como usar a radiação de fundo para fazer os chips melhores. Eu acho que muitas vezes assumimos que estudantes dessa idade apenas aprendem exatamente o que eles tem que fazer e não contribuem na universidade até estarem no terceiro ou quarto ano”, disse Parker. “Esses estudantes tem muito a oferecer para ficarem esperando até lá”.

“Não é sobre encontrar. É sobre melhorar o método de procura”.

Os estudantes de Langton não são os únicos checando os dados do TimePix. Stanislav Pospíši comanda um grupo no instituto de física experimental e aplicada na Universidade Técnica Tcheca em Praga que também participa da colaboração MoEDAL e também observa os dados do TimePix. Seu trabalho é bem similar ao dos estudantes, disse Pospíšil, analisar as partículas que o acertam durante a colisão de partículas. Mas “a quantidade de dados é tão grande que é bom se dois grupos independentes estão avaliando”, ele disse. No entanto os analistas do TimePix podem nem aparecer na pesquisa escrita do MoEDAL. “Não afetaria diretamente as nossas conclusões ou análise de dados”, disse Soluk. Apesar dele dizer que é importante. “Se você sabe que fundo existe, conseguimos nos proteger dele”. MoEDAL é mais do que apenas o chip TimePix. Quando o GCH termina o MoEDAL pode pegar seu plástico, eles precisam ser analisados. As folhas de plástico na Bolonha onde são tratados com hidróxido de potássio ou uma solução de hidróxido de sódio em solução de álcool, que tornaria as marcas dos monopolos visíveis em microscópio como cones no plástico. Os pesquisadores podem então formar um escaneamento automático, ou fazer os cientistas cidadãos, talvez os estudantes de Langton, procurarem o monopolo. E se tiver algum tempo para prepará-los, não tem um limite para o tipo de tarefas que os meninos podem fazer. E o programa IRIS está florescendo além do MoeDAL. Parker tem apresentado o programa através de 350 escolas através do Reino Unido. Estudantes estão usando dados para otimizar o sistema de transporte de Londres. Na verdade, você pode lembrar de um estudante britânico, Miles Soloman que encontrou um erro nos dados da NASA esse ano, ele fazia parte do programa IRIS em sua escola, trabalhando no projeto TimPix usando o chip TimePix para monitorar dentro da Estação Espacial Internacional. A pesquisa MoEDAL está ganhando reconhecimento também, estudantes incluindo Evans apresentaram na Royal Society Summer Exhibition em 2015. And the IRIS program is flourishing beyond just MoEDAL. Parker has introduced the program to over 350 schools across the United Kingdom. Students are using data to optimize the Transport for London system. In fact, you might remember one British student, Miles Soloman who found an error

Outra demonstração feita pelos estudantes de Becky Parker. Essa representa a localização das galáxias. Foto: Ryan F. Mandelbaum/Gizmodo

O trabalho dos estudantes ainda não foi publicado. O MoEDAL lançou seu primeiro conjunto de resultados nulos no ano passado (eles não encontraram nada, mas o experimento funciona). “Estivemos tão perto do último trabalho, de ter o nome deles”, disse Parker. Ela tinha acabado de voltar de um telefonema que ela fez em resposta a uma pergunta tola que eu fiz. Eu não entendi completamente como cada uma das diferentes partes do MoEDAL trabalhava em conjunto, e perguntei se os dados do TimePix poderiam ser relevantes. A pergunta fez ela imediatamente sair do café onde estávamos. “Eles podem entrar na literatura se eles contribuíram de forma geral”, ela disse quando voltou. “Um trabalho sobre todas essas classificações e sistemas de análise dos quais fizeram parte, eles podem entrar”. Eu liguei para Pinfold para falar sobre o trabalho dos estudantes. Existe um lugar para seu trabalho aparecer: “É provável sair em um trabalho sobre a nossa aplicação de cientistas cidadãos na análise”, ele disse. Não é sobre o monopolo especificamente, mas no programa de cientistas cidadãos que os estudantes desenvolveram ao invés de aprendizado automático como forma de analisar dados. “Os estudantes que trabalharam serão lembrados”, ele disse. “Estamos trabalhando ativamente nisso”. Mas os estudante inevitavelmente se formam enquanto a colaboração MoEDAL continua caçando o monopolo com uma nova leva de estudantes de Langton para ajudar. É um pouco triste para quem foi para a universidade. “É estranho ter aquela coisa empolgante para fazer e sentir que você vai ser reconhecido no campo que você quer entrar, então ir para a universidade”, disse Evans. “Quando nós entramos na faculdade parece um passo para trás, já que as coisas que estávamos fazendo eram tão empolgantes”. Mas muitos dos graduandos passados foram para o campo da física, e três dos quatro meninos com quem conversei planejavam ir para a física em seus estudos de A-level antes de ir para a universidade.

“Quando nós entramos na faculdade parece um passo para trás, já que as coisas que estávamos fazendo eram tão empolgantes”.

E pelo menos os estudantes com quem eu falei desenvolveram uma nova admiração pela ciência e física. Mudou a sua perspectiva sobre o que é a física de partículas. “Eu sempre pensei em físicos como pessoas velhas separadas da tecnologia, fazendo teoria e matemática pesada”, disse Patrick Abbott, um dos meninos de Langton. “Eu nunca pensei neles como pessoas trabalhando em times, eu achava que era uma pessoa trabalhando sozinha. E eu nunca vi física como uma experiência feliz. Agora eu percebi como é maneiro”. Mesmo depois da publicação sair, ainda é improvável que alguém encontre o monopolo. Isso não afetou os meninos de Langton. “Nós todos aceitamos o fato que não vamos encontrar ele”, disse o estudante de Langton, Paul Holland. Outro estudante, Patrick Abbott disse: “Se pudermos contribuir o mínimo, já estaremos felizes”.

A reportagem para esse artigo em parte foi apoiada por concessão da National Science Foundation

Imagem do topo: Jim Cooke/Gizmodo