Físicos estão ficando inquietos. Sua ferramenta mais preciosa para estudar os menores componentes da natureza – o acelerador de partículas Grande Colisor de Hádrons (LHC, em inglês) – está desligado desde o fim de 2012 para receber uma atualização de US$163 milhões. Dentro de dois meses, porém, ele estará de volta para se vingar, colidindo prótons a energias colossais que nunca foram conseguidas em uma máquina feita pela humanidade. Físicos esperam que essas energias sejam suficientes para produzir novas partículas ou fenômenos que exponham os segredos que o Universo não parece querer revelar. Em particular, a próxima ativação do LHC poderia produzir evidências para uma ideia chamada de supersimetria, que seria confirmada se partículas e dimensões extras de matéria aparecerem – e que explicaria muitas facetas confusas do Universo.
Na qualidade de maior máquina da Terra, o LHC compreende um anel subterrâneo com 27 quilômetros de circunferência entre a França e a Suíça. Dentro do anel, inaugurado pela primeira vez em 2008, prótons enviados em direções opostas aceleram quase à velocidade da luz, colidem de frente uns com os outros e explodem. Na sequência, sua energia é convertida em massa na forma de partículas – e algumas delas são espécies exóticas raramente vistas na natureza.
Uma dessas partículas é o bóson de Higgs, que se revelou no colisor em 2012, quatro décadas depois de teóricos terem previsto sua existência. Agora cientistas esperam que o LHC possa repetir o feito e expor mais partículas novas – talvez até mesmo versões mais pesadas do bóson de Higgs.
A elevação da capacidade energética do LHC pode tornar essas novas partículas acessíveis. Seus prótons costumavam colidir a energias de 8 trilhões de elétron volts (TeV), mas os campos eletromagnéticos da máquina agora vão acelerar as partículas com mais energia, fazendo com que eles colidam a 13 TeV. Partículas começarão a viajar pelo anel no fim de março e, se tudo der certo, as primeiras colisões começarão em maio.
Para acomodar a alteração energética, engenheiros fizeram extensas melhorias no acelerador durante o período em que esteve desativado. Em particular, eles melhoraram as interconexões entre os milhares de poderosos ímãs do acelerador. Os ímãs mantêm os prótons se movendo em um círculo; quando os prótons se tornam mais energéticos, eles precisam de campos magnéticos mais fortes para mantê-los no caminho certo. Os ímãs que costumavam produzir campos com uma força de 5,9 teslas agora criarão campos de 7,7 teslas.
“Nós abrimos, verificamos todas as interconexões, e refizemos completamente um terço delas”, declara Frédérick Bordry, diretor da divisão de aceleradores do CERN (Organização Europeia de Pesquisa Nuclear, em francês), laboratório que é lar do LHC. “Foi uma aventura interessante”. Profissionais também realizaram manutenção em milhares de outros componentes da máquina e os testaram meticulosamente para garantir que o colisor permaneça adequado. Bordry declara estar confiante que o LHC não verá outro problema elétrico semelhante ao que provocou grandes danos a ímãs, logo após a primeira ativação do acelerador há sete anos, atrasando suas operações em 14 meses.
Esse esmagador [de partículas] “turbinado” agora terá acesso a um reino completamente novo de partículas e interações, graças à lei E=mc² de Einstein. A equação mostra que energia (E) é equivalente a massa (m) vezes a velocidade da luz (c) ao quadrado. Assim, a energia de uma colisão determina a possível massa das partículas resultantes. “Se a energia for duas vezes maior, isso significa que poderemos produzir partículas que são duas vezes mais massivas”, explica Beate Heinemann, vice-diretora do experimento Atlas, do LHC. “Isso também significa que poderemos produzir partículas de menor massa a uma taxa dramaticamente maior. Em vez de produzirmos, por exemplo, 10 delas em um segundo, poderíamos produzir mil em um segundo. Assim teríamos uma melhor chance de observá-las”.
Entre as novas partículas que podem aparecer estão espécies previstas pela supersimetria, como bósons de Higgs adicionais e partículas “companheiras” de todas as partículas conhecidas na natureza – como os “seléctrons” para acompanhar os conhecidos elétrons dentro de átomos. A supersimetria é tentadora porque explica algumas das facetas do Universo que a atual teoria da física de partículas, o Modelo Padrão, não explica. O Modelo Padrão não consegue, por exemplo, responder por toda a matéria escura invisível que astrônomos acreditam contribuir com a maior parte da matéria do Universo. Mas as partículas extras previstas pela supersimetria parecem candidatas perfeitas para compor a matéria escura. O modelo padrão também não tem explicação para o porquê de o Cosmos ser composto principalmente de matéria e não de antimatéria, duas entidades que se acredita terem existido em quantidades iguais quando o Universo nasceu. As partículas companheiras da supersimetria, por outro lado, poderia explicar esse resultado porque podem interferir com o decaimento de partículas de matéria e antimatéria, provocando uma assimetria que poderia ter permitido a predominância da matéria.
Apesar das deficiências do Modelo Padrão, porém, tudo que foi visto no LHC até agora, incluindo o bóson de Higgs, está de acordo com a teoria. “Nós sabemos que o Modelo Padrão não pode ser uma teoria completa, não pode ser a resposta final, e por isso é tão frustrante que ele tenha se saído tão bem durante a primeira ativação [do LHC]”, declara Tara Shears, física da University of Liverpool, na Inglaterra. “Na segunda ativação, esperamos ver falhas no modelo”.
Essas falhas poderiam aparecer não apenas na forma de partículas que nunca foram vistas antes, mas também em diferenças mais súbitas no comportamento de partículas conhecidas. O experimento LHC beauty (LHCb), por exemplo, monitora a frequência com que certas partículas chamadas de mésons B_s (a pronúncia é “B-sub-s”) decaem em outra partícula, um múon, e sua contraparte de antimatéria, um antimúon. “Isso acontece três vezes a cada um milhão de decaimentos”, explica Shears, membro do projeto LHCb. “Se realmente existir uma nova física como a supersimetria lá fora, então essas novas partículas podem participar desse decaimento; elas podem acelerá-lo e permitir que ele seja observado com mais frequência, ou desacelerá-lo. Na primeira ativação nós realizamos uma medida que infelizmente foi consistente com o Modelo Padrão, mas ainda não medimos esse decaimento com precisão, então ainda existe muito espaço para desvios”.
As expectativas são altas para a segunda ativação do LHC porque os níveis de energia que serão investigados são capazes de produzir as massas esperadas para partículas supersimétricas previstas por muitas versões da teoria. “Chegaremos exatamente na energia onde deveriam existir partículas supersimétricas”, explica Heinemann. “A partícula da matéria escura também deveria estar aproximadamente nessa escala energética – as coisas não têm que ser assim, mas poderiam ser”.
É claro que tudo que aparecer durante a próxima ativação do LHC também poderia continuar a obedecer todas as regras do Modelo Padrão – e assim nada seria revelado sobre o que produz a matéria escura ou a assimetria da antimatéria. “Esperamos conseguir aquele salto quântico em nossa compreensão a partir da descoberta de algo inesperado – é isso que nós vivemos para ver”, explica Shears. “Mas mesmo que isso não aconteça, nós vamos aprender mais sobre o Universo porque teremos observado uma área que nunca fomos capazes de estudar antes”.
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