Em 2008, um feixe de prótons se espalhou pela primeira vez no Large Hadron Collider (LHC), o acelerador de partículas mais poderoso do mundo. Agora, uma década depois, é hora de fazer um balanço do que aprendemos graças a essa instalação e do que está por vir.
Essa contabilidade inclui pesquisas futuras que o LHC pode realizar e possíveis novas instalações que podem colidir partículas com energias muito além do que o LHC pode alcançar. Duas, ou talvez três, possíveis substituições para o LHC foram propostas. Então, vamos revisar onde estamos e de onde viemos na última década.
A história do LHC é emocionante e turbulenta, com eventos que variam de danos desastrosos aos imensos ímãs do instrumento nos primeiros dias de operações, a uma ascensão do tipo fênix daquela tragédia, seguida de descobertas sólidas e emocionantes, incluindo a descoberta de o bóson de Higgs. Essa descoberta rendeu a Peter Higgs e François Englert o Prêmio Nobel, como previram a partícula há mais de meio século. É incomum o mundo seguir rapidamente as notícias da física de partículas, mas o anúncio da descoberta de Higgs levou a noticiários em todo o mundo.
Encontrando nova física
Os físicos também estavam à beira de seus assentos, esperando o que eles esperavam que fossem descobertas inesperadas. Por quase meio século, os cientistas tiveram a compreensão teórica atual do comportamento da matéria subatômica elaborada. Esse entendimento é chamado de Modelo Padrão da física de partículas.
O modelo explica o comportamento observado das moléculas e átomos da matéria comum e até dos menores blocos de construção conhecidos já observados. Essas partículas são chamadas quarks e leptons, com quarks encontrados dentro dos prótons e nêutrons que compõem o núcleo do átomo e com elétrons sendo o lepton mais familiar. O Modelo Padrão também explica o comportamento de todas as forças conhecidas, exceto a gravidade. É realmente uma realização científica extraordinária.
No entanto, o Modelo Padrão não explica tudo na física teórica. Não explica por que os quarks e leptons parecem existir em três configurações distintas, mas quase idênticas, chamadas gerações. (Por que três? Por que não dois? Ou quatro? Ou um? Ou 20?) Esse modelo não explica por que nosso universo é feito inteiramente de matéria, quando o entendimento mais simples da teoria da relatividade de Albert Einstein diz que o universo também deve conter uma quantidade igual de antimatéria.
O Modelo Padrão não explica por que os estudos do cosmos sugerem que a matéria comum dos átomos compõe apenas 5% da matéria e energia do universo. Pensa-se que o restante consiste de matéria escura e energia escura. A matéria escura é uma forma de matéria que experimenta apenas a gravidade e nenhuma das outras forças fundamentais, enquanto a energia escura é uma forma de gravidade repulsiva que permeia o cosmos.
Antes das primeiras operações do LHC, físicos como eu esperavam que o destruidor de átomos nos ajudasse a responder a essas perguntas intrigantes. A teoria candidata mais citada para explicar esses quebra-cabeças foi chamada supersimetria. Isso sugere que todas as partículas subatômicas conhecidas têm partículas de "superparceiro". Estes, por sua vez, poderiam fornecer uma explicação para a matéria escura e responder a outras perguntas. No entanto, os físicos não observaram nenhuma supersimetria. Além disso, os dados do LHC descartaram as teorias mais simples que incorporam a supersimetria. Então, o que o LHC conseguiu?
O LHC fez muito
Bem, além de toda essa coisa do bóson de Higgs, o LHC forneceu dados para suas quatro grandes colaborações experimentais, resultando em mais de 2.000 artigos científicos. Dentro do LHC, as partículas foram esmagadas umas com as outras com energias 6,5 vezes superiores às atingidas pelo Fermilab Tevatron, que detinha o título de acelerador de partículas mais poderoso do mundo por um quarto de século, até o LHC conquistar a coroa.
Esses testes do modelo padrão foram muito importantes. Qualquer uma dessas medidas poderia ter discordado das previsões, o que levaria a uma descoberta. No entanto, verifica-se que o Modelo Padrão é uma teoria muito boa, e fez previsões tão precisas nas energias de colisão do LHC quanto nos níveis de energia no Tevatron anterior.
Então, isso é um problema? Num sentido muito real, a resposta é não. Afinal, a ciência trata tanto de testar e rejeitar novas idéias erradas quanto de validar as corretas.
Por outro lado, não há como negar que os cientistas teriam ficado muito mais empolgados em encontrar fenômenos que não eram previstos anteriormente. Descobertas desse tipo impulsionam o conhecimento humano, culminando na reescrita de livros didáticos.
A história do LHC ainda não acabou
Então e agora? O LHC terminou de nos contar sua história? Dificilmente. De fato, os pesquisadores estão ansiosos por melhorias nos equipamentos que os ajudarão a estudar questões que não podem ser resolvidas usando a tecnologia atual. O LHC foi encerrado no início de dezembro de 2018 por dois anos de reformas e atualizações. Quando o acelerador retomar as operações na primavera de 2021, ele retornará com um ligeiro aumento de energia, mas dobrará o número de colisões por segundo. Levando em consideração as futuras atualizações planejadas, os cientistas do LHC registraram até agora apenas 3% dos dados esperados. Embora demore muitos anos para examinar todas as descobertas, o plano atual é registrar cerca de 30 vezes mais dados do que os obtidos até o momento. Com muito mais dados por vir, o LHC ainda tem muita história para contar.
Ainda assim, embora o LHC funcione provavelmente por mais 20 anos, é perfeitamente razoável perguntar também: "O que vem a seguir?" Os físicos de partículas estão pensando em construir um acelerador de partículas subsequente para substituir o LHC. Seguindo a tradição do LHC, uma possibilidade colidiria feixes de prótons com energias surpreendentes - 100 trilhões de elétrons-volts (TeV), que é muito maior do que a capacidade máxima de 14 TeV do LHC. Mas realizar essas energias exigirá duas coisas: primeiro, precisaríamos criar ímãs com o dobro da potência dos que empurram partículas ao redor do LHC. Isso é considerado desafiador, mas viável. Segundo, precisaremos de outro túnel, muito parecido com o LHC, mas bem mais do que três vezes maior, com uma circunferência aproximada de 100 quilômetros, cerca de quatro vezes maior que a do LHC.
Mas onde será construído esse grande túnel e como será realmente? Que feixes colidirão e com que energia? Bem, essas são boas perguntas. Ainda não estamos suficientemente adiantados no processo de design e tomada de decisão para obter respostas, mas existem dois grandes e bem-sucedidos grupos de físicos pensando sobre os problemas, e cada um deles gerou uma proposta para um novo acelerador. Uma das propostas, em grande parte conduzida por grupos de pesquisa europeus, imagina a construção de um grande acelerador adicional, provavelmente localizado no laboratório do CERN, nos arredores de Genebra.
Sob uma idéia, uma instalação ali colidiria um feixe de elétrons e elétrons da antimatéria. Devido às diferenças entre os prótons em aceleração em comparação com os elétrons - um feixe de elétrons perde mais energia em torno da estrutura circular do que um feixe de prótons - esse feixe usaria o túnel de 100 quilômetros de extensão, mas operaria com energia mais baixa do que se fosse prótons. Outra proposta usaria o mesmo acelerador de 61 milhas de comprimento para colidir feixes de prótons. Uma proposta mais modesta reutilizaria o atual túnel do LHC, mas com ímãs mais poderosos. Essa opção apenas dobraria a energia de colisão acima do que o LHC pode fazer agora, mas é uma alternativa mais barata. Outra proposta, amplamente defendida por pesquisadores chineses, imagina uma instalação totalmente nova, presumivelmente construída na China. Este acelerador também teria cerca de 61 milhas de diâmetro e colidiria elétrons e antimatéria juntos, antes de mudar para colisões próton-próton em cerca de 2040.
Esses dois projetos em potencial ainda estão em fase de discussão. Eventualmente, os cientistas que fizerem essas propostas terão que encontrar um governo ou grupo de governos disposto a pagar a conta. Mas antes que isso aconteça, os cientistas precisam determinar os recursos e as tecnologias necessárias para tornar possíveis essas novas instalações. Ambos os grupos divulgaram recentemente uma extensa e completa documentação sobre seus projetos. Isso não é suficiente para construir as instalações propostas, mas é bom o suficiente para comparar os desempenhos projetados dos futuros laboratórios e começar a reunir previsões de custos confiáveis.
Investigar a fronteira do conhecimento é um empreendimento difícil, e pode levar muitas décadas desde os primeiros sonhos de construir uma instalação dessa magnitude, passando pelas operações até o encerramento da instalação. Ao marcarmos o aniversário de 10 anos da primeira viga no LHC, vale a pena fazer um balanço do que a instalação realizou e do que o futuro trará. Parece-me que haverá dados interessantes para a próxima geração de cientistas estudar. E talvez, apenas talvez, possamos aprender mais alguns dos segredos fascinantes da natureza.
Don Lincoln é pesquisador de física na Fermilab. Ele é o autor de "O Grande Colisor de Hádrons: A História Extraordinária do Bóson de Higgs e outras coisas que vão explodir sua mente"(Johns Hopkins University Press, 2014), e ele produz uma série de educação científica vídeos. Siga-o no Facebook. As opiniões expressas neste comentário são dele.
Don Lincoln contribuiu com este artigo para a Live Science Vozes de especialistas: Op-Ed & Insights.
