O maior experimento de física em todo o mundo está de volta

O Grande Colisor de Hádrons (LHC) é o experimento de física mais audacioso na história humana, e os cientistas reiniciaram o acelerador de partículas gigante para uma nova série de testes.

Da última vez, os físicos fizeram algo quase impossível e encontraram o bóson de Higgs. Desta vez, eles podem descobrir algo ainda mais emocionante.

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O LHC foi desligado para manutenção em 2013, e ao longo dos últimos dois anos, os engenheiros deixaram o acelerador ainda melhor. Neste domingo, o CERN (Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear) confirmou que ele está de volta à ativa:

Beam 1, the second to circulate, is successfully through all sectors of the LHC! Startup complete!

— CERN (@CERN)

O que poderemos descobrir desta vez? Conversamos com dois físicos que trabalham no LHC, e eles dizem o que esperar:

• mais detalhes sobre o bóson de Higgs;
• os segredos da matéria escura, que corresponde a 80% da massa do universo, mas não pode ser vista;
• partículas que permitem criar uma teoria unificada para a física.

Nada mal! Vamos dar uma olhada em detalhe a seguir.

A jornada do LHC até agora

Em 2008, nove dias após iniciarem os experimentos no LHC, uma conexão elétrica defeituosa entre dois ímãs derreteu e causou graves danos mecânicos. Por causa dos reparos e testes, os experimentos só voltaram a ser realizados seis meses depois; além disso, o acelerador funcionou durante três anos a uma capacidade muito menor do que a prevista. Mesmo assim, o colisor foi bastante útil. Em 4 de julho de 2012, cientistas de dois experimentos no LHC (CMS e ATLAS) anunciaram que tinham descoberto uma nova partícula. , a partícula invisível que dá massa a tudo e, por sua vez, mantém o universo unido. Esta foi sem dúvida a maior descoberta científica da década, talvez até mais. E por todo esse tempo, o LHC esteve funcionando em capacidade reduzida.

Ele foi desligado em 2013 e, nos últimos dois anos, os engenheiros atualizaram as interconexões supercondutoras entre uma série de ímãs, adicionaram desvios extras e ímãs mais poderosos. Os desvios fornecem uma rota pela qual a corrente pode escapar se algum acidente envolvendo muita energia – como aquele de 2008 – voltar a acontecer. Por isso, o LHC está mais seguro ao funcionar em níveis mais elevados de energia.

Agora com 27.000 desvios em sua circunferência de 27 km, o LHC está de volta – e mais poderoso do que nunca.

Poder absoluto

Quando o LHC fechou em 2013, os experimentos com níveis mais altos de energia foram realizados a 8 teraelétrons-volt (TeV). Em breve, cientistas poderão levar o acelerador a inéditos 13 TeV. Isso significa que ele pode criar feixes de partículas com energia suficiente para derreter uma tonelada de cobre. Impressionante!

“Quanto maior a energia, maior a chance de realizar novas descobertas”, explica Alan Barr, professor de Física de Partículas na Universidade de Oxford, que trabalha no experimento ATLAS do LHC. “A maior energia do LHC pode nos permitir encontrar novas partículas que ainda não foram descobertas.”

Na prática, o LHC renovado permitirá aos cientistas encontrar partículas mais pesadas. A famosa equação de Einstein, E = mc², explica que há uma equivalência entre energia e massa. “A energia cinética das partículas em colisão se transforma na massa das partículas mais pesadas, que se decompõem imediatamente de volta para as partículas que conhecemos”, explica James Hirschauer, do Fermi National Accelerator Laboratory, que trabalha em experimentos no LHC. Hischauer diz:

Nós esperamos produzir partículas mais pesadas que até agora são desconhecidas – assim como nós produzimos e descobrimos o bóson de Higgs em 2012. O salto de energia é desejável porque, se uma nova partícula pesada existe, a taxa de produção dessa partícula será mais elevada a níveis de energia mais altos… com o LHC operando a uma energia de 8 TeV, cada colisão tem uma probabilidade 30 vezes maior de produzir um bóson de Higgs que no acelerador de partículas Tevatron, que chega a um máximo de 2 TeV.

Imagine agora que o LHC pode chegar a 13 TeV! E como ele chega a um nível tão elevado de energia? Não é instantâneo: o acelerador de US$ 6 bilhões requer um aquecimento gradual até que ele atinja seu pico. No mês passado, pesquisadores do CERN enviaram as primeiras partículas para teste no acelerador. Lentamente, ao longo das próximas semanas, eles vão enviar mais e mais, verificando o alinhamento dos feixes e a capacidade do acelerador de lidar com eles. Rolf-Dieter Heuer, diretor-geral do CERN, diz que o LHC já recebeu os primeiros feixes de prótons, e deve chegar gradualmente a níveis de energia mais elevados até o final de maio. As colisões resultantes serão as mais energéticas já criadas pela humanidade.

Partículas supersimétricas

Quando as novas colisões de alta energia começarem, iremos inicialmente ver mais do mesmo. Afinal de contas, conseguimos vislumbrar o bóson de Higgs a 8 TeV; como explicou Hirschauer, primeiro veremos ainda mais bósons do tipo a energias mais elevadas. Isso vai nos ajudar a entender a partícula – que ainda é relativamente nova – com maior precisão, permitindo medições mais precisas de suas propriedades.

E provavelmente haverá mais. “Acho que nós podemos descobrir partículas supersimétricas”, explica Hirschauer. Elas fazem parte do Modelo Padrão, uma das teorias mais proeminentes que tenta descrever o universo: ele postula que a matéria é composta por 12 partículas indivisíveis. Embora o Modelo Padrão faça um trabalho maravilhoso em explicar a física das partículas, os cientistas admitem que ele é incompleto.

À primeira vista, o Modelo Padrão prevê que todas as partículas devem ter massa zero. O bóson de Higgs ajuda a explicar por que outras partículas têm massa, só que resta um mistério: por que ele próprio não tem massa? Isso pode ser explicado por partículas supersimétricas, que se comportam de forma semelhante mas possuem massas diferentes. Dessa forma, sugerem os físicos, uma partícula poderia anular a massa do bóson de Higgs em outra partícula. Por sua vez, isso tornaria possível ligar matematicamente três forças do Modelo Padrão – eletromagnetismo e as forças nucleares forte e fraca – e criar uma teoria unificada para explicar o Universo. Seria a teoria de tudo. “Para certas partículas supersimétricas, a taxa de produção aumenta 30 vezes quando aumentamos a energia de colisão de 8 TeV para 13 TeV”, explica Hirschauer. Em outras palavras, o LHC é atualmente a melhor chance que temos de criar uma teoria unificada para a física.

Segredos da matéria escura

Essas partículas supersimétricas também poderiam explicar uma das teorias mais enigmáticas da física: a matéria escura. “A maior parte do universo é feito de matéria escura”, explica Barr. “Ela puxa gravitacionalmente a matéria em torno dela, mas não interage com a luz, por isso é invisível – e muito difícil de detectar.”

A matéria escura, teoricamente, é responsável por até 80% da massa do universo, mas nós ainda não observamos uma partícula com as qualidades que ela deveria apresentar. Por isso, cientistas de todo o mundo estão esperançosos de que os novos experimentos no LHC possam revelar algo.

“Seria verdadeiramente inovador se pudéssemos encontrar, nos escombros das colisões no LHC, a evidência para a partícula – ou partículas – que são responsáveis ​​por esta matéria escura”, diz Barr. “Nós sabemos que ela não é feita de qualquer partícula que já encontramos, por isso o LHC vai explorar uma área muito emocionante.”

No melhor cenário, poderíamos encontrar ambos ao mesmo tempo. “Com base em nossas teorias e evidências indiretas, estas partículas de matéria escura [podem ser] as mesmas partículas supersimétricas”, explica Hirschauer. “Eu estou pessoalmente trabalhando duro para descobrir partículas de matéria escura sob a suposição de que elas são partículas supersimétricas”. Claro, nada disso é garantido: por isso teremos os experimentos no LHC. Por melhor que uma teoria pareça, a realidade pode ser algo totalmente imprevisto. Isso, porém, pode acabar sendo mais empolgante: “isso mostraria como é necessário refinar nossas teorias para explicar corretamente as leis da natureza”, diz Hirschauer. “Não vamos nos decepcionar se descobrirmos algo completamente inesperado!”

Imagens por CERN