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Terça-feira, Maio 17, 2022

O que a atualização do Large Hadron Collider significa para a física?

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Em 22 de abril de 2022, nas profundezas da fronteira franco-suíça, perto de Genebra, na Suíça, dois feixes de prótons foram acelerados em torno de um anel de 27 quilômetros colidindo e criando uma chuva de partículas secundárias. O experimento não é novidade para o Large Hadron Collider (LHC) do CERN. De fato, colidindo em uma injeção de 450 bilhões de elétron-volts (450 GeV) o experimento está bem abaixo da potência que este, o maior e mais poderoso acelerador de partículas da humanidade pode alcançar.

No entanto, é o que este modesto teste do LHC representa que tem animado os físicos. O teste marca o início de uma nova série de experimentos com o LHC que colidirão partículas de até uma energia de 13,6 trilhões de elétron-volts (TeV), as colisões mais poderosas no acelerador até o momento. E este é apenas o começo do que deve ser um novo período emocionante para a física de partículas.

Este terceiro período experimental do LHC – conhecido como Run 3 – levará a outra pausa prolongada em 2026. Durante uma pausa de três anos até 2029, o LHC passará por sua transformação mais substancial até agora – completando a atualização de alta luminosidade que começou em 2018. Após isso, a luminosidade do LHC será aumentada por um fator estimado de 10.

O LHC enquanto no modo desligado durante 2019, enquanto o trabalho continua nas atualizações que farão com que o acelerador de partículas mais poderoso do mundo se torne ainda mais formidável (Robert Lea)

A luminosidade do LHC refere-se ao número de partículas que ele é capaz de colidir, e um aumento nas colisões significa uma chance maior de detectar física exótica, até então invisível. Isso significa que o acelerador resultante, o Grande Colisor de Hádrons de Alta Luminosidade (HL-LHC), terá o poder de sondar a física que governa o universo além do que é conhecido como Modelo Padrão de Física de Partículas.

Além do modelo padrão

É justo que seja para o LHC que a humanidade se volta para buscar a física além do Modelo Padrão – a melhor descrição que temos das partículas e das interações que governam o mundo subatômico. Afinal, foi com esse tremendo aparelho que esse modelo, idealizado pela primeira vez em 1971, foi concluído.

Em julho de 2012, em uma sala de aula no CERN na Suíça, foi anunciada a descoberta do bóson de Higgs, detectado pelos experimentos LHC ATLAS e CMS. O bóson – uma partícula portadora de força – representou a última partícula a ser prevista pelo Modelo Padrão. Assim, sua descoberta, que levaria o Prêmio Nobel de Física em 2013, representou a conclusão desse modelo.

Além disso, como a partícula mediadora do chamado campo de Higgs, o bóson de Higgs é a partícula responsável por conceder sua massa à maioria dos outros habitantes do zoológico de partículas. Isso significa que sua descoberta também marcou a questão de longa data na física de como a maioria das partículas obtém sua massa.

No entanto, apesar do senso de finalidade, essa afirmação pode sugerir, esse não foi de forma alguma o elemento final da física a ser descoberto. Existem elementos da física não descritos pelo Modelo Padrão, como a natureza da matéria escura e o que dá aos neutrinos sua pequena massa quase insignificante.

Da mesma forma, ainda existem dúvidas sobre o próprio bóson de Higgs, que não é exatamente a partícula que se previa existir antes de sua descoberta.

São essas questões e quebra-cabeças persistentes que o LHC está agora em posição de começar a investigar.

Uma imagem mostrando o número esperado de colisões próton-próton no LHC após a atualização de alta luminosidade (CERN/ATLAS)

“Descobrimos como partículas como o elétron adquirem massa por meio de interações com o bóson de Higgs, completando o ‘modelo padrão’ – a teoria da natureza mais bem-sucedida conhecida pelos humanos. No entanto, existem muitas observações que não são previstas por este modelo”, diz Salvatore Rappoccio, da Universidade de Buffalo, em Nova York, EUA, que busca novas físicas usando o experimento Compact Muon Solenoid (CMS) localizado no LHC.

Rappoccio disse à Elsevier: “Após a descoberta do bóson de Higgs, novas interações físicas não foram observadas no LHC. Isso nos leva à conclusão de que, se existirem, ou estão em energias superiores à capacidade do LHC [of around 13 TeV] ou têm probabilidades de produção extremamente baixas em nossas colisões e estão ocultos entre os processos em segundo plano.”

Uma das perguntas que Rappoccio e sua equipe tentarão responder é por que o bóson de Higgs descoberto no LHC é um pouco diferente da partícula prevista pelo Modelo Padrão.

Uma melhor compreensão do bóson de Higgs e da física em torno dele pode ser fornecida pelo fato de que o HL-LHC será capaz de criar muito mais partículas do que o LHC era capaz. Em 2017, o LHC criou cerca de 3 milhões de partículas de Higgs. Os operadores do CERN estimam que, em 2029, o HL-LHC criará cerca de 15 milhões de bósons de Higgs.

Mas, o HL-LHC não será apenas capaz de sondar as leis da física no universo como existe hoje. Talvez, ainda mais impressionante, o HI-LHC seja capaz de replicar as condições encontradas imediatamente após a Grande explosãodando-nos assim a imagem mais clara de nosso universo infantil de todos os tempos.

O Grande Colisor de Hádrons: Viajando de Volta ao Amanhecer do Universo

O LHC não apenas esmaga feixes de prótons e nem seu sucessor, o HL-LHC. O maior acelerador de partículas do mundo também é capaz de esmagar partículas muito mais pesadas – até mesmo átomos do elemento ferro desprovidos de elétrons.

A colisão de íons de ferro é muito menos comum no LHC do que as colisões próton-próton, com um mês por ano dedicado a esse tipo de experimento, mas isso não quer dizer que não tenha sido frutífero. Em 2020, pesquisadores do CERN conseguiram criar plasma de quarks-glúons, um estado da matéria significativo porque existiu nos primeiros momentos do universo, logo após o Big Bang.

Nas condições extremas criadas no LHC, prótons e nêutrons que compõem os íons de chumbo “derretem” no processo, liberando os quarks de suas ligações com os glúons. Observar como o plasma quark-glúon se expande e esfria, dá aos pesquisadores uma dica de como ele gradualmente deu origem às partículas que compõem o universo à medida que também esfriava e se expandia em sua infância.

Tais estudos também são essenciais para entender as interações de uma das quatro forças fundamentais do universo, a força nuclear forte. Esta disciplina, conhecida como Cromodinâmica Quântica (QCD), descreve as interações entre quarks e glúons.

O LHC não é a primeira máquina a replicar esse estado da matéria, mas melhora os esforços anteriores ao criar um plasma quark-gluon mais quente, mais denso e de vida mais longa, permitindo que os físicos estudem esse estado da matéria em detalhes sem precedentes.

Quarks e glúons são geralmente encontrados contidos em outras partículas, como prótons e nêutrons. Eles só existem livremente em energias incrivelmente altas, como aquelas que existiam no início do universo, quando estava em um estado incrivelmente quente e denso antes que a inflação o fizesse expandir e esfriar.

Uma visualização de colisões de íons pesados ​​detectadas pelo ALICE (CERN/ALICE)

Usando o detector ALICE do LHC, os pesquisadores no acelerador conseguiram estimar a temperatura do plasma quark-gluon usando fótons emitidos por esse estado da matéria, além de determinar sua densidade de energia, ambas com resultados superiores às estimativas anteriores. Os cientistas do CERN também conseguiram usar partículas criadas por essa densa “sopa” quente de matéria para investigar sua forma e outras qualidades.

Graças às atualizações do LHC, o detector ALICE, o principal instrumento para medir as partículas criadas por colisões de íons pesados, recebeu um grande impulso.

Durante a execução 3, o CERN espera que os experimentos ATLAS e CMS atinjam mais colisões do que as alcançadas em seus outros dois períodos de operação combinados, enquanto o LHCb terá sua contagem de colisões aumentada em três vezes. O efeito no ALICE será ainda mais intenso, este detector poderá no futuro medir até 50 vezes mais colisões de íons pesados ​​do que antes.

Mais eventos de colisão significam criar mais plasma quark-gluon e um estado mais duradouro dessa matéria primordial e fornecer aos pesquisadores mais dados para estudar as condições do universo primitivo.

“A próxima década no LHC oferece muitas oportunidades para uma maior exploração do plasma quark-gluon”, disse o porta-voz do experimento ALICE, Luciano Musa, em um comunicado. Comunicado de imprensa do CERN. “O esperado aumento de dez vezes no número de colisões de chumbo-íon de chumbo deve aumentar a precisão das medições de sondas conhecidas do meio e nos dar acesso a novas sondas. Além disso, planejamos explorar colisões entre núcleos mais leves, o que poderia lançar mais luz sobre a natureza do meio.”



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