Em abril, cientistas do Centro Europeu de Pesquisa Nuclear, ou CERN, nos arredores de Genebra, mais uma vez dispararam sua arma cósmica, o Grande Colisor de Hádrons. Após um desligamento de três anos para reparos e atualizações, o colisor voltou a disparar prótons – as entranhas nuas de átomos de hidrogênio – em torno de sua pista eletromagnética subterrânea de 17 milhas. No início de julho, o colisor começará a colidir essas partículas para criar faíscas de energia primordial.
E assim o grande jogo de caça ao segredo do universo está prestes a recomeçar, em meio a novos desenvolvimentos e as esperanças renovadas dos físicos de partículas. Mesmo antes de sua reforma, o colisor já vinha dando indícios de que a natureza poderia estar escondendo algo espetacular. Mitesh Patel, físico de partículas do Imperial College London que conduz um experimento no CERN, descreveu os dados de suas execuções anteriores como “o conjunto de resultados mais empolgante que já vi em minha vida profissional”.
Há uma década, os físicos do CERN fizeram manchetes globais com a descoberta do bóson de Higgs, uma partícula há muito procurada, que confere massa a todas as outras partículas do universo. O que resta encontrar? Quase tudo, dizem os físicos otimistas.
Quando o colisor CERN foi ligado pela primeira vez em 2010, o universo estava em disputa. A máquina, a maior e mais poderosa já construída, foi projetada para encontrar o bóson de Higgs. Essa partícula é a pedra angular do Modelo Padrão, um conjunto de equações que explica tudo o que os cientistas conseguiram medir sobre o mundo subatômico.
Mas há questões mais profundas sobre o universo que o Modelo Padrão não explica: De onde veio o universo? Por que é feito de matéria e não de antimatéria? Qual é a “matéria escura” que permeia o cosmos? Como a própria partícula de Higgs tem massa?
Os físicos esperavam que algumas respostas se materializassem em 2010, quando o grande colisor foi ligado pela primeira vez. Nada apareceu exceto o Higgs – em particular, nenhuma nova partícula que pudesse explicar a natureza da matéria escura. Frustrantemente, o Modelo Padrão permaneceu inabalável.
O colisor foi desligado no final de 2018 para extensas atualizações e reparos. De acordo com o cronograma atual, o colisor funcionará até 2025 e depois será desligado por mais dois anos para que outras atualizações extensas sejam instaladas. Entre esse conjunto de atualizações estão melhorias nos detectores gigantes que ficam nos quatro pontos onde os feixes de prótons colidem e analisam os detritos da colisão. A partir de julho, esses detectores terão seu trabalho cortado para eles. Os feixes de prótons foram espremidos para torná-los mais intensos, aumentando as chances de os prótons colidirem nos pontos de cruzamento – mas criando confusão para os detectores e computadores na forma de múltiplos sprays de partículas que precisam ser distinguidas umas das outras.
“Os dados chegarão a um ritmo muito mais rápido do que estamos acostumados”, disse Patel. Onde antes ocorriam apenas algumas colisões em cada cruzamento de feixe, agora haveria mais como cinco.
“Isso torna nossas vidas mais difíceis em certo sentido, porque temos que ser capazes de encontrar as coisas que nos interessam entre todas essas interações diferentes”, disse ele. “Mas significa que há uma probabilidade maior de ver o que você está procurando.”
Enquanto isso, uma variedade de experimentos revelaram possíveis rachaduras no Modelo Padrão – e sugeriram uma teoria mais ampla e profunda do universo. Esses resultados envolvem comportamentos raros de partículas subatômicas cujos nomes são desconhecidos para a maioria de nós nas arquibancadas cósmicas.
Veja o múon, uma partícula subatômica que se tornou brevemente famosa no ano passado. Os múons são freqüentemente chamados de elétrons de gordura; eles têm a mesma carga elétrica negativa, mas são 207 vezes mais massivos. “Quem ordenou isso?” disse o físico Isador Rabi quando os múons foram descobertos em 1936.
Ninguém sabe onde os múons se encaixam no grande esquema das coisas. Eles são criados por colisões de raios cósmicos – e em eventos de colisores – e decaem radioativamente em microssegundos em uma efervescência de elétrons e partículas fantasmagóricas chamadas neutrinos.
No ano passado, uma equipe de cerca de 200 físicos associados ao Fermi National Accelerator Laboratory, em Illinois, relatou que os múons girando em um campo magnético oscilaram significativamente mais rápido do que o previsto pelo Modelo Padrão.
A discrepância com as previsões teóricas veio na oitava casa decimal do valor de um parâmetro chamado g-2, que descrevia como a partícula responde a um campo magnético.
Os cientistas atribuíram a diferença fracionária, mas real, ao sussurro quântico de partículas ainda desconhecidas que se materializariam brevemente ao redor do múon e afetariam suas propriedades. Confirmar a existência das partículas quebraria, finalmente, o Modelo Padrão.
Mas dois grupos de teóricos ainda estão trabalhando para reconciliar suas previsões sobre o que g-2 deveria ser, enquanto esperam por mais dados do experimento do Fermilab.
“A anomalia g-2 ainda está muito viva”, disse Aida X. El-Khadra, física da Universidade de Illinois que ajudou a liderar um esforço de três anos chamado Muon g-2 Theory Initiative para estabelecer uma previsão de consenso. “Pessoalmente, estou otimista de que as rachaduras no Modelo Padrão resultarão em um terremoto. No entanto, a posição exata das rachaduras ainda pode ser um alvo em movimento.”
O múon também figura em outra anomalia. O personagem principal, ou talvez o vilão, neste drama é uma partícula chamada quark B, uma das seis variedades de quarks que compõem partículas mais pesadas como prótons e nêutrons. B significa fundo ou, talvez, beleza. Esses quarks ocorrem em partículas de dois quarks conhecidas como mésons B. Mas esses quarks são instáveis e propensos a desmoronar de maneiras que parecem violar o Modelo Padrão.
Alguns decaimentos raros de um quark B envolvem uma cadeia de reações em margarida, terminando em um tipo diferente e mais leve de quark e um par de partículas leves chamadas léptons, sejam elétrons ou seus primos gordos, múons. O Modelo Padrão sustenta que elétrons e múons têm a mesma probabilidade de aparecer nessa reação. (Existe um terceiro lépton, mais pesado, chamado tau, mas ele decai rápido demais para ser observado.) Mas Patel e seus colegas encontraram mais pares de elétrons do que pares de múons, violando um princípio chamado universalidade do lépton.
“Isso pode ser um assassino do Modelo Padrão”, disse Patel, cuja equipe tem investigado os quarks B com um dos grandes detectores do Large Hadron Collider, o LHCb. Essa anomalia, como a anomalia magnética do múon, sugere um “influenciador” desconhecido – uma partícula ou força interferindo na reação.
Uma das possibilidades mais dramáticas, se esses dados se mantiverem na próxima corrida do colisor, diz Patel, é uma especulação subatômica chamada leptoquark. Se a partícula existir, ela poderia preencher a lacuna entre duas classes de partículas que compõem o universo material: léptons leves – elétrons, múons e também neutrinos – e partículas mais pesadas como prótons e nêutrons, que são feitos de quarks. Curiosamente, existem seis tipos de quarks e seis tipos de léptons.
“Estamos entrando nessa corrida com mais otimismo de que pode haver uma revolução chegando”, disse Patel. “Dedos cruzados.”
Há ainda outra partícula neste zoológico se comportando de forma estranha: o bóson W, que transmite a chamada força fraca responsável pelo decaimento radioativo. Em maio, físicos do Collider Detector do Fermilab, ou CDF, relatou em um esforço de 10 anos para medir a massa desta partículacom base em cerca de 4 milhões de bósons W colhidos de colisões no Tevatron do Fermilab, que era o colisor mais poderoso do mundo até a construção do Large Hadron Collider.
De acordo com o Modelo Padrão e medições de massa anteriores, o bóson W deve pesar cerca de 80,357 bilhões de elétron-volts, a unidade de massa-energia preferida pelos físicos. Em comparação, o bóson de Higgs pesa 125 bilhões de elétron-volts, quase tanto quanto um átomo de iodo. Mas a medição do CDF do W, a mais precisa já feita, ficou acima do previsto em 80,433 bilhões. Os pesquisadores calcularam que havia apenas uma chance em 2 trilhões – 7 sigma, no jargão da física – de que essa discrepância fosse um acaso estatístico.
A massa do bóson W está ligada às massas de outras partículas, incluindo o infame Higgs. Portanto, essa nova discrepância, se persistir, pode ser outra brecha no Modelo Padrão.
Ainda assim, todas as três anomalias e as esperanças dos teóricos de uma revolução podem evaporar com mais dados. Mas para os otimistas, todos os três apontam na mesma direção encorajadora para partículas ou forças ocultas que interferem na física “conhecida”.
“Então, uma nova partícula que pode explicar tanto a massa g-2 quanto a massa W pode estar ao alcance do LHC”, disse Kyle Cranmer, físico da Universidade de Wisconsin que trabalha em outros experimentos no CERN.
John Ellis, um teórico do CERN e do Kings College London, observou que pelo menos 70 artigos foram publicados sugerindo explicações para a nova discrepância de massa W.
“Muitas dessas explicações também exigem novas partículas que podem ser acessíveis ao LHC”, disse ele. “Eu mencionei matéria escura? Então, muitas coisas a serem observadas!”
Sobre a próxima corrida, Dr. Patel disse: “Será emocionante. Será um trabalho árduo, mas estamos realmente ansiosos para ver o que temos e se há algo genuinamente empolgante nos dados.”
Ele acrescentou: “Você pode seguir uma carreira científica e não ser capaz de dizer isso uma vez. Então parece um privilégio.”
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