5 Descobertas feitas pelo Grande Colisor de Hádrons (até agora)

Às vezes, são as pequenas coisas que te deixam louco. No início do século 20, os físicos pareciam ter o universo muito bem costurado, entre a gravidade newtoniana e as equações eletromagnéticas de Maxwell. Havia apenas um problema irritante: como explicar a radioatividade. Abordá-lo desencadeou uma revolução científica que revelou a incrível verdade sobre pequenas coisas: às vezes elas contêm universos.

A física de partículas e a mecânica quântica, as ciências do verdadeiramente minúsculo, trouxeram à física mais duas forças fundamentais e uma coleção de estranhas partículas elementares, mas depois da década de 1970 pouco restou além de testar e refinar a teoria dominante, o modelo padrão . Outros 30 anos de partículas subatômicas produzidas por aceleradores e colisores preencheram os espaços em branco, mas muitas perguntas permaneceram: por que algumas partículas têm massa enquanto outras não? Poderíamos unificar as quatro forças fundamentais ou fazer a relatividade geral e a mecânica quântica se darem bem?

Será que um desses fios pendentes desencadearia outra revolução? Descobrir isso exigiria um colisor de partículas maior e mais poderoso do que nunca, um anel de 27 quilômetros de ímãs supercondutores mais frios que o espaço sideral, capaz de colidir partículas à velocidade da luz em um vácuo ultra-alto. Em 10 de setembro de 2008, este Grande Colisor de Hádrons (LHC ) de US$ 10 bilhões, o esforço colaborativo de centenas de cientistas e engenheiros em todo o mundo, juntou-se ao campus de aceleradores da Organização Européia para Pesquisa Nuclear (CERN) e logo quebrou recordes de colisão de partículas.

Vamos relembrar o que aprendemos até agora, começando com a descoberta mais famosa de todas.

1. O Bóson de Higgs
2. Tetraquarks
3. Supersimetria ausente
4. Movimento coordenado
5. Afinal, sinais de nova física... ou não

Em nosso mundo macro, assumimos que todas as partículas têm massa, por menor que seja. Mas no mundo micro, a teoria eletrofraca , que liga as forças eletromagnética e fraca em uma força subjacente, prevê que partículas especiais chamadas mediadoras não devem ter massa alguma; o que é um problema, porque alguns deles o fazem.

Os mediadores são portadores de força: fótons transmitem eletromagnetismo, enquanto bósons W e Z carregam força fraca. Mas enquanto os fótons não têm massa, os bósons W e Z possuem peso substancial, da ordem de 100 prótons cada [fonte: CERN ].

Em 1964, o físico Peter Higgs da Universidade de Edimburgo e a equipe de François Englert e Robert Brout da Universidade Livre de Bruxelas propuseram independentemente uma solução: um campo incomum que transmitia massa com base na força com que as partículas interagiam com ele. Se este campo de Higgs existisse, então deveria ter uma partícula mediadora, um bóson de Higgs . Mas seria preciso uma instalação como o LHC para detectá-lo.

Em 2013, os físicos confirmaram que haviam encontrado um bóson de Higgs com uma massa de aproximadamente 126 giga-elétron-volts (GeV) - a massa total de cerca de 126 prótons (equivalência massa-energia permite que os físicos usem elétron-volts como unidade de massa). ) [fontes: Das ]. Longe de fechar os livros, isso abriu novas áreas de pesquisa sobre a estabilidade do universo, por que parece conter muito mais matéria do que antimatéria, e a composição e abundância de matéria escura [fontes: Siegfried].

Em 1964, dois pesquisadores lutando para entender os hádrons - partículas subatômicas afetadas pela força forte - individualmente tiveram a ideia de que eles eram compostos de uma partícula constituinte com três tipos. George Zweig os chamou de ases; Murray Gell-Mann os apelidou de quarks e rotulou seus três tipos, ou sabores, como "para cima", "para baixo" e " estranho ". Mais tarde, os físicos identificariam três outros sabores de quarks: "charm", "top" e "bottom".

Por muitos anos, os físicos dividiram os hádrons em duas categorias com base nas duas maneiras que os quarks os fizeram: bárions (incluindo prótons e nêutrons) eram compostos de três quarks, enquanto mésons (como pions e kaons) eram formados por pares quark-antiquark. fontes: CERN ; ODS]. Mas seriam essas as únicas combinações possíveis?

Em 2003, pesquisadores no Japão encontraram uma partícula estranha, X(3872) , que parecia ser feita de um quark charm, um anticharm e pelo menos dois outros quarks. Ao explorar a possível existência da partícula, os pesquisadores descobriram Z(4430) , uma aparente partícula de quatro quarks. Desde então, o LHC descobriu evidências de várias dessas partículas, que quebram - ou pelo menos dobram substancialmente - o modelo estabelecido para arranjos de quarks. Essas partículas Z são passageiras, mas podem ter prosperado por um microssegundo ou mais após o Big Bang [fontes: O'Luanaigh ; Morrer ; Concessão ].

Os teóricos avançaram a supersimetria , apelidada de SUSY , para lidar com várias questões irritantes que o modelo padrão deixou sem resposta, como por que algumas partículas elementares têm massa, como o eletromagnetismo e as forças nucleares fortes e fracas podem ter se ligado e, possivelmente, o que é a matéria escura. feito de. Também estabeleceu uma relação tentadora entre os quarks e léptons que compõem a matéria e os bósons que mediam suas interações. Como os bárions mencionados anteriormente, os léptons (como os elétrons) pertencem a um grupo de partículas subatômicas chamadas férmions .que têm propriedades quânticas opostas aos bósons. Ainda, de acordo com SUSY, todo férmion tem um bóson correspondente, e vice-versa, e cada partícula pode se transformar em sua contraparte [fontes: CERN ; Siegried].

Se for verdade, SUSY significaria que os dois tipos de partículas elementares (férmions e bósons) são apenas dois lados da mesma moeda; removeria certas quantidades infinitas descontroladas que surgem na matemática, permitindo que as partículas correspondentes se cancelem; e isso abriria espaço para a gravidade - uma omissão gritante no modelo padrão - porque as conversões férmion-bóson e bóson-férmion podem envolver grávitons , os portadores de força da gravidade há muito teorizados.

Os físicos esperavam que o LHC encontrasse evidências para apoiar o SUSY ou revelasse problemas mais profundos que apontassem para um novo território teórico e experimental. Até agora, nem parece ter acontecido, mas não conte a supersimetria ainda. SUSY existe em muitas versões, cada uma ligada a suposições particulares; o LHC simplesmente peneirou algumas das variedades mais elegantes e prováveis.

Quando os cientistas que calibravam os instrumentos do LHC pularam as habituais colisões próton-próton e optaram por forçar prótons em núcleos de chumbo, eles notaram um fenômeno surpreendente: os caminhos aleatórios que os estilhaços subatômicos resultantes geralmente tomavam foram substituídos por uma aparente coordenação.

Uma teoria avançada para explicar o fenômeno diz que o impacto criou um estado exótico da matéria chamado plasma quark-gluon (QGP) , que fluía como líquido e produzia partículas coordenadas à medida que esfriava. Tanto o Brookhaven National Laboratories quanto o LHC já criaram QGP - a forma mais densa de matéria fora de um buraco negro - colidindo íons pesados ​​como chumbo e ouro . Se o QGP de uma colisão próton-chumbo for possível, isso pode afetar significativamente as ideias de como os cientistas veem as condições imediatamente após o Big Bang, quando o QGP teve seu breve apogeu. Há apenas um problema: a colisão não deveria ter energia suficiente para produzir a hipotética sopa de quarks [fontes: CERN ; Concessão ;Roland e Nguyen ; do que ].

Embora a maioria dos físicos favoreça essa ideia apesar de seus problemas, alguns argumentaram por uma segunda explicação envolvendo um campo teórico criado por glúons , as partículas que mediam a força forte e colam quarks e antiquarks em prótons e nêutrons. A hipótese diz que os glúons que se movem em velocidade próxima à da luz formam campos que os fazem interagir. Se correto, esse modelo pode fornecer informações valiosas sobre a estrutura e a interação do próton [fontes: Grant ].

Por mais ilógico que possa parecer, muitos físicos esperavam que o LHC fizesse alguns buracos no modelo padrão. A estrutura tem problemas, afinal, e talvez uma ou duas descobertas impressionantes confirmem a supersimetria, ou pelo menos apontem para novos caminhos de pesquisa. Como mencionamos, porém, o LHC desferiu golpes repetidos na física exótica enquanto reconfirmava o modelo padrão a cada turno. Concedido, os resultados não estão todos (há uma enorme quantidade de dados para analisar), e o LHC ainda não atingiu sua energia total de 14 tera-elétron-volts (TeV). No entanto, as chances não parecem boas para fazer o modelo padrão parecer ruim.

Ou talvez sim, se um relatório de 2013 sobre o decaimento do méson B for alguma indicação. Ele mostra mésons B decaindo em um méson K (também conhecido como kaon) e dois múons (partículas semelhantes a elétrons), o que não levantaria nenhuma sobrancelha , exceto que o decaimento seguiu um padrão não previsto pelo modelo padrão. Infelizmente, o estudo atualmente está abaixo do limite de dançar em nossos jalecos. Ainda assim, é alto o suficiente para aumentar as esperanças, e a análise de dados adicionais pode avançar da zona vermelha para a zona final. Nesse caso, o estranho padrão de decaimento pode oferecer o primeiro vislumbre da nova física que tantos estão procurando [fontes: Johnston ; O'Neill ].

Nota do autor: 5 descobertas feitas pelo Grande Colisor de Hádrons

Após a conclusão do LHC, alguns se perguntaram o que significaria para a física se o bóson de Higgs não aparecesse. Não era apenas a principal razão de ser do massivo destruidor de átomos; era uma espécie de eixo central para o modelo padrão.

Agora há um problema maior, e envolve as medições de radiação cósmica de fundo feitas pela segunda geração do Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization (BICEP2). Se as observações do BICEP2 estiverem corretas, então o campo de Higgs deveria ter sido suficientemente energético durante o Big Bang para causar um Big Crunch imediato. Em outras palavras, se ambas as ideias são verdadeiras, então não deveríamos estar aqui para discutir por que elas não podem ser ambas verdadeiras.

Artigos relacionados