Pronto, firme, vá: a corrida para descobrir novas físicas retorna hoje com a re-ignição do Grande Colisor de Hádrons (LHC), uma vez que dispara partículas de íons pesados umas contra as outras a 99,99% da velocidade da luz para recriar um estado de matéria primordial que não foi vista imediatamente desde a grande explosão.
o Grande Colisor de Hádrons É o acelerador de partículas mais longo e poderoso do mundo, disparando feixes de partículas subatômicas em torno de um anel subterrâneo de 27 quilômetros perto de Genebra, na fronteira franco-suíça. Desde que o LHC foi lançado originalmente em 2010, seus experimentos produziram 3.000 artigos científicos, com uma série de resultados, incluindo o mais famoso: a descoberta de Bóson de Higgs.
“É realmente verdade dizer que estamos fazendo descobertas semanalmente”, disse Chris Parks, porta-voz do teste do LHCb, em entrevista coletiva no final de junho.
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nova tecnologia
O acelerador de partículas passou os últimos três anos e meio recebendo atualizações biotecnológicas que permitirão esmagar feixes de partículas com energia recorde. 6,8 trilhões de elétron-volts (TeV) nas colisões que totalizariam inéditos 13,6 TeV. Isso é 4,6% maior do que de onde parei em outubro de 2018.
Aumentar a taxa de colisões de partículas, melhorar a capacidade de coletar mais dados do que nunca e experimentos inteiramente novos abrirão o caminho para os pesquisadores conduzirem a ciência além do bóson de Higgs, talvez até além da corrente. Forma padrão Física de partículas.
Em 2020, um novo dispositivo, o Acelerador Linear (Linac) 4, será instalado no Large Hadron Collider. Em vez de injetar prótons no sistema como antes, o Linac 4 aumentará os íons de hidrogênio carregados negativamente, que são dois prótons acompanhados Elétrons. À medida que os íons se movem através do Linac 4, os elétrons são removidos para deixar apenas os prótons, e o emaranhamento desses íons permite a formação de grupos mais apertados de prótons. Isso resulta em feixes mais estreitos de prótons sendo disparados através do colisor, aumentando a taxa de colisões.
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Talvez a atualização tecnológica mais importante, no entanto, seja o sistema que lança experimentos no LHC para começar a coletar dados.
Como a pesquisa científica está agora na era do big data, como distinguir quais dados valem a pena registrar e analisar se torna um problema ainda maior. “Temos 14 milhões de pontos de trânsito leve por segundo”, disse Parks. Cada interseção de feixe vê feixes de partículas colidindo entre si.
Anteriormente, a coleta de informações úteis de todas essas colisões era deixada para a instrumentação convencional e a intuição de pesquisadores humanos, resultando em apenas 10% das colisões sendo registradas dentro do LHC. O novo sistema operacional usa aprendizado de máquina para analisar uma situação mais rapidamente e é mais eficiente em termos de quais dados coletar para análise posterior. Esta atualização, por exemplo, fará com que o LHCb triplique a taxa de amostragem, enquanto o instrumento ALICE (Large Ion Collider Experiment) aumentará o número de eventos registrados por um fator de 50.
“Isto é claramente um grande negócio”, disse o porta-voz do ALICE, Luciano Musa, na entrevista coletiva.
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novas experiências
Embora ainda haja trabalho a ser feito para aprender sobre o bóson de Higgs, o LHC está equipado para fazer mais além disso.
“Temos essa ambição de colocar o bóson de Higgs em um contexto mais amplo, e isso simplesmente não pode ser resumido em uma ou duas perguntas”, disse Gian Guedes, chefe do departamento de física teórica do CERN, durante a coletiva de imprensa. “Portanto, temos um programa muito amplo que aborda muitas questões da física de partículas.”
Dois novos detectores foram instalados durante o recente desligamento do Large Hadron Collider, o FASER, o Advanced Search Experiment, e o SND, o detector de espalhamento e neutrinos. O FASER procurará partículas leves e de interação fraca, incluindo neutrinos e possíveis matéria escuraenquanto o SND se concentrará exclusivamente em neutrinos.
Neutrinos são partículas fantasmagóricas elusivas que mal interagem com qualquer outra coisa ao seu redor – um traço de chumbo Ano luz Thick só vai parar metade dos neutrinos que passam por ele – trilhões deles passam pelo seu corpo inofensivamente a cada segundo. Diante disso, e embora os cientistas saibam que as colisões dentro do LHC devem produzir neutrinos regularmente, nenhum neutrino gerado no acelerador de partículas foi detectado (os neutrinos observados pelos detectores de neutrinos anteriores vêm principalmente de o sol). No entanto, isso deve mudar, já que o FASER e o SND devem detectar aproximadamente 7.000 eventos de neutrinos entre eles nos próximos quatro anos.
À primeira vista, FASER e SND não se parecem com detectores de neutrinos. Estes tendem a ser enormes, como o tanque de aço inoxidável do reagente Super Kamiokande no Japão contendo 50.000 toneladas métricas de água purificada, ou Observatório de neutrinos do cubo de gelo Na Antártida, onde existem sensores colocados em 0,6 milhas cúbicas (um quilômetro cúbico) de gelo abaixo da superfície. Em vez disso, o FASER tem apenas 1,5 metros de comprimento, enquanto o SND é um pouco maior, com 2,4 metros. Em vez de ter grandes quantidades de líquido ou gelo, possui detectores simples de tungstênio e filmes de emulsão, não muito diferentes dos filmes fotográficos antigos.
O FASER e o SND podem ser muito pequenos porque “o LHC produz muitos neutrinos, então você precisa de menos massa no detector para fazer alguns deles interagirem, e os neutrinos produzidos nas colisões do LHC são muito altos”, disse o porta-voz do FASER, Jamie. Boyd disse ao Space.org que a energia, a probabilidade de interação aumenta com a energia.
FASER está localizado a 480 metros de distância A jusante da experiência do Atlas, nos túneis desertos que já fizeram parte do antecessor do Large Hadron Collider, o Large Electron-Positron Collider. Os experimentos FASER e SND são complementares – FASER é o ruído da linha de luz, enquanto o SND é angulado. Desta forma, eles são capazes de detectar neutrinos de diferentes energias provenientes de diferentes colisões de partículas. A maioria dos neutrinos passará despercebida pelos dois experimentos, mas um pequeno número irá interagir com átomos nas densas camadas de tungstênio, fazendo com que os neutrinos decaiam e produzam partículas filhas que deixam traços na emulsão chamados picos que indicam a posição da interação. A camada de emulsão é removida a cada três ou quatro meses e enviada para um laboratório no Japão para exame. Já foi descoberto um pequeno protótipo Candidatos a neutrinosmas o protótipo era muito pequeno para confirmar as medidas.
“O principal resultado que estamos procurando é o que chamamos de seção transversal”, disse Boyd. “Isso descreve como, em função de sua energia, os três tipos de neutrinos – elétron, múon e tau – interagem.”
Esses diferentes tipos, ou “sabores”, de neutrinos são capazes de oscilar entre si à medida que viajam por grandes distâncias. Por exemplo, um neutrino pode começar como um neutrino de múon antes de oscilar em um neutrino de elétron. No LHC, a distância entre os detectores de neutrinos e a fonte das colisões no LHC é tão pequena que nenhuma oscilação pode ser esperada a menos que uma nova partícula esteja envolvida.
“Se virmos mais neutrinos de elétrons e menos neutrinos de múons do que esperávamos, isso poderia indicar a presença de um tipo adicional de neutrino, chamado neutrino estérilIsso faz com que essas oscilações ocorram, disse Boyd. “Por enquanto, neutrinos estéreis permanecem hipotéticos, e encontrar evidências para eles seria uma grande descoberta.
novas teorias
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Falando nas descobertas, enquanto o LHC foi desligado devido à sua última atualização, a análise de dados do antigo acelerador de partículas Tevatron no Fermilab nos EUA, que foi desligado em 2011, revelou uma sugestão tentadora de física operando fora do Modelo Padrão. Especificamente, Tevatron encontrou evidências de que a partícula do bóson W, que está envolvida na mediação da força fraca que governa a radioatividade, pode ser maior do que o Modelo Padrão prevê. Enquanto isso, houve leituras estranhas do LHC e Tevatron do comportamento dos elétrons e muão Isso, se for verdade, pode desafiar as previsões do Modelo Padrão. O ônus agora está no LHC para conduzir uma investigação mais aprofundada.
No entanto, os cientistas do LHC não estão prontos para tirar conclusões precipitadas sobre essa ou qualquer outra inconsistência do Modelo Padrão. Em vez disso, eles preferem permanecer neutros quando se trata de teorias divergentes sobre o que o LHC está observando, para evitar enviesar os resultados.
“Não estamos perseguindo a teoria”, disse a diretora geral do CERN, Fabiola Gianotti, na entrevista coletiva. “Acho que nosso objetivo é entender como a natureza funciona no nível mais básico. Nosso objetivo não é buscar teorias particulares.”
Chris Parks está otimista de que o LHC possa chegar ao fundo dessas discrepâncias, de uma forma ou de outra. “Esperamos muito que, com os novos dados que estamos coletando, possamos realmente verificar essas dicas interessantes que temos e ver se elas mostram alguma violação do Modelo Padrão”, disse ele.
Não há pressa. Após esse novo monitoramento de quatro anos executado pelo LHC, haverá outro desligamento de novas atualizações que levarão ao que é conhecido como LHC de alta luminosidade. Este trabalho começará por volta de 2029 e detectará anualmente mais de 15 milhões de bósons de Higgs com energias de colisão de 14 terabytes. Longe do LHC, estão em andamento planos para um acelerador totalmente novo no CERN chamado Future Circular Collider (FCC), que será poderoso o suficiente para atingir energias de 100 TeV quando começar a operar por volta de 2040. O FCC será muito maior que o LHC, com um túnel de 100 quilômetros, no entanto, o conceito gerou controvérsia recentemente com alguns físicos alegando que seu preço potencial de US $ 100 bilhões não valeria os benefícios de sua construção e que o dinheiro poderia ser gasto mais sabiamente em projetos menores e mais focados.
Isso é tudo para o futuro. Atualmente, o Grande Colisor de Hádrons ainda tem os bósons de Higgs para fazer, neutrinos para descobrir, novas partículas para encontrar e teorias para testar. De que novas descobertas falaremos em quatro anos?
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