Em Teoria: O que veio primeiro…?

Em Teoria: uma série sobre o departamento de física teórica do CERN.

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"Os experimentos precisam falar uma linguagem em comum e também a falar a mesma linguagem dos teóricos", explica Chiara Mariotti, física experimental no experimento CMS.

Artigo traduzido de CERN. Autor: Corinne Pralavorio.

Durante o último século, a física fundamental passou por uma mudança de escala. Para avançar o conhecimento do infinitamente pequeno, os físicos têm utilizado ferramentas cada vez mais sofisticadas e têm formado colaborações cada vez maiores. Os cientistas das antigas, que dividiam seu tempo entre quadros-negros e pequenos laboratórios, foram sucedidos por uma miríade de especialistas. Os teóricos já não são físicos experimentais, e vice-versa.

“A 100 anos atrás, não havia qualquer distinção entre físicos teóricos e experimentais. Enrico Fermi era ao mesmo tempo um gênio da teoria e um experimentalista excepcional”, diz Christophe Grojean, teórico em DESY que colabora com os físicos experimentais que trabalham no Grande Colisor de Hádrons (LHC). “Hoje, a física experimental envolve esse tipo de tecnologia sofisticada e a teoria requer um conhecimento profundo da matemática, e é virtualmente impossível para uma pessoa fazer tudo isso”.

Hoje, um físico pode ser qualquer coisa entre um teórico cujo trabalho está muito longe das observações experimentais até um experimentalista fazendo R & D em componentes do detector. No meio desse amplo espectro de especializações, os físicos teóricos e experimentais trabalham lado a lado em estreita colaboração.

“Eu estou interessado em teorias da física além do Modelo Padrão que pode ser testado. Se eu tenho uma ideia, eu quero que ele seja usada para interpretar os dados. Eu não gosto de especular apenas para o bem dela” – John Ellis do King College London, que trabalha no CERN desde 1973.

… o teórico ou o experimentalista?

Seja como for, os cientistas de ontem e os físicos de hoje têm uma coisa em comum: a sede de um resultado ou, melhor ainda, de uma descoberta. A única diferença é que agora eles estão divididos em duas grandes comunidades, os teóricos e os experimentalistas. Com que grupo a iniciativa se inicia? Os experimentalistas são dependentes das previsões dos teóricos para suas descobertas, ou, pelo contrário, os teóricos contam com dados dos experimentalistas para melhorar seus modelos?

“É como o ovo e a galinha”, sorri Christophe. Mas nem os teóricos nem os experimentalistas afirmam ser o ovo ou a galinha (não que nós realmente saibamos o que veio primeiro!). Cada um se baseia no conhecimento do outro para avançar.

“Em um mundo ideal, os experimentalistas seriam capazes de compreender a natureza simplesmente por observá-la, mas na realidade eles precisam dos teóricos para interpretar o que veem”, explica Michelangelo Mangano, teórico do CERN. “Da mesma forma, os teóricos adorariam ser capazes de explicar tudo sem recorrer à experimentação, encontrar a teoria para acabar com todas as outras uma vez que, em termos simples, a natureza não poderia funcionar de outra maneira. Na realidade, é muito mais complicado que isso. Há sempre mais que uma possibilidade, e o Universo evoluiu, tomando um dos muitos caminhos abertos para ele. É por isso que os teóricos também precisam de dados experimentais para guiá-los.”

“Se queremos entender o que estamos medindo, precisamos de um quadro teórico”, acrescenta Chiara Mariotti, física experimental do experimento CMS no LHC. “Mesmo se descobrirmos algo que os teóricos nunca previram, é importante para nós compreender a estrutura subjacente, tendo uma visão mais ampla que somente os teóricos podem nos dar.”

Chiara Mariotti, física experimental do experimento CMS, e Christophe Grojean, físico teórico trabalhando em DESY, são dois dos coordenadores do grupo de trabalho transversal LHC Higgs. O grupo reúne físicos teóricos e experimentais com o objetivo de conciliar as previsões teóricas comuns como base para a análise dos dados dos experimentos. (Imagem: CERN).

Um frenesi de interpretação

A pesquisa no LHC é um exemplo perfeito da fértil cruzada contínua entre físicos teóricos e experimentais que impulsiona o progresso científico. A busca dos experimentalistas pelo bóson de Higgs foi desencadeada pela teoria, mas agora os teóricos estão à espera de mais dados do LHC para mostrar a eles qual caminho seguir (vamos elaborar sobre isso no próximo artigo desta série). Sempre que as experiências começam a mostrar sinais de algo novo, por mais fraco que o sinal seja, há uma inundação de interpretações teóricas. Em 15 de Dezembro de 2015, os experimentos ATLAS e CMS anunciaram seus primeiros resultados a partir do Run 2 do LHC, revelando um sinal inesperado (embora pequeno). Uma dúzia de artigos contendo interpretações teóricas foram postadas no repositório científico arXiv dentro de 24 horas. Até abril, o número havia subido para 312!

“O Modelo Padrão foi formulado há 40 anos. Dúzias de modelos indo além dele surgiram nesse meio tempo, mas nenhum teve privilégio. Os experimentos vão mostrar quem está certo”, diz Michelangelo. Por isso os teóricos ficam frenéticos atrás dos dados experimentais e da avalanche de interpretações.

No entanto, os teóricos e experimentalistas não ficam simplesmente parados assistindo, como vizinhos invejosos observando os preparativos para uma festa ao lado. Eles às vezes pulam a cerca e participam. No CERN, onde eles estão apenas separados por alguns corredores, a cooperação é o nome do jogo. Michelangelo Mangano é um dos promotores e organizadores deste diálogo. Quando o LHC começou a operação, ele montou o LHC Physics Centre at CERN (LPCC), uma estrutura que suporta a colaboração entre físicos teóricos e experimentais. “Uma das minhas principais tarefas é a de facilitar a interação entre teoria e experimentos”, explica.

“Os teóricos e físicos experimentais se complementam. Eles têm uma abordagem diferente para a compreensão”, explica Michelangelo Mangano, teórico do CERN, que facilita a cooperação entre as duas comunidades no LHC. (Imagem: CERN).

O grupo de trabalho transversal LHC Higgs é uma das plataformas de discussões entre físicos teóricos e experimentais. O grupo foi criado em 2010 com o objetivo de fazer previsões conjuntas para a descoberta do bóson de Higgs.

“Nós quisemos nos preparar para a descoberta do Higgs e era importante para os experimentos usar as mesmas previsões teóricas e critérios de análise”, diz Chiara Mariotti, um dos membros fundadores do grupo. “Dessa forma, quando os experimentos observavam um sinal, era mais fácil para eles comparar seus dados e verificar se aquilo realmente era uma descoberta”.

(Imagem: CERN).

Assim, em 4 de Julho de 2012, os experimentos ATLAS e CMS rapidamente convergiram para a mesma conclusão. Ambos tinham visto um sinal, é claro, mas eles também dependiam de critérios que tinham sido definidos em conjunto com os teóricos.

“Esta cooperação permitiu que nos concentrássemos nas principais questões em vez de perder tempo comparando nossos métodos. Isso acelerou a descoberta”, explica Christophe Grojean, um dos coordenadores atuais do grupo. O grupo, que inicialmente era composto por cerca de cinquenta teóricos e experimentalistas, agora se expandiu. Entre 100 e 200 físicos são membros ativos, e os diversos temas abrangem desde a precisão das medições do Higgs até pesquisas para a física além do Modelo Padrão.

Embora essencial, a colaboração entre as duas comunidades de físicos nem sempre é simples, por causa da enorme diferença entre a estrutura social das grandes colaborações experimentais em comparação com a dos pequenos grupos teóricos.

“O trabalho de um teórico é em última análise muito mais solitário do que o de um experimentalista que é parte de uma grande colaboração e, assim, inevitavelmente sujeita a restrições. Os teóricos são muito mais livres, seu trabalho é realmente seu, enquanto um físico experimental é parte de uma grande equipe”, diz Christophe.

A confidencialidade está no cerne das grandes colaborações experimentais, e não há por quê revelar os resultados caso não tenham sido aprovados. Isto significa que os teóricos trabalham apenas nos dados que os experimentos já publicaram, a menos que um experimento peça ajuda com a sua análise, caso em que eles são convidados a manter a informação para si. Nesses casos, eles podem adicionar seus nomes à publicação relevante ao lado dos membros da colaboração.

Autonomia preciosa

Quando você pergunta aos teóricos se eles gostariam de ter uma carreira como físico experimental, a resposta é normalmente não. “Eu gosto de trabalhar em estreita colaboração com físicos experimentais, mas estou feliz mantendo minha independência como teórico”, diz Michelangelo Mangano. Os teóricos atribuem grande importância para sua liberdade. Liberdade de iniciativa nem sempre é permitida nas grandes colaborações experimentais, e os teóricos têm consciência de sua posição privilegiada.

“Se eu não estiver satisfeito com os resultados em um campo da teoria, eu sempre posso mudar para outro onde posso fazer bom uso das minhas ideias”, diz Slava Rychkov, teórico do CERN. “Não é tão fácil para os físicos experimentais. Se eles não obtiverem quaisquer resultados de uma experiência complexa que eles gastaram muito tempo na construção, isso pode ser muito desmotivador.”

Slava sente que os teóricos devem ser mais conscientes da sua responsabilidade quando apontam os experimentalistas em uma certa direção.

A relação entre físicos teóricos e experimentais é ainda mais complicada quando se trata de descobertas. A quem deve ser dado o crédito por elas? Ao teórico que previu o fenômeno ou ao experimentalista que encontrou a prova? Ambos, certamente, mas os júris que atribuem os prêmios nem sempre são tão magnânimos.

Alvaro de Rujula, membro honorário do departamento de teoria do CERN, falou ironicamente sobre esta competição em um artigo sobre a relação entre os teóricos e experimentalistas. “A relação entre experimentalistas e teóricos é frequentemente uma competição saudável para a verdade e menos saudável na competição pela fama”, escreveu ele, ilustrando suas palavras com um enigma comparando um teórico, um experimentalista e uma descoberta a um agricultor, seu porco e uma trufa .

O que é semelhante e o que é diferente entre os dois conjuntos seguintes?

O agricultor leva seu porco para a floresta. O porco fareja os arredores, procurando uma trufa. Quando o porco a encontra e está prestes a comê-la, o agricultor bate na cabeça do porco e rouba a trufa. Essas são as semelhanças: um teórico também reivindica o reconhecimento pela descoberta de um experimentalista (se ele tiver alguma coisa a ver com ela/suas teorias), mesmo que ele não tenha a descoberto! A diferença é que o agricultor sempre leva o porco para onde há trufas, enquanto que, na maioria das vezes, os teóricos levam os experimentalistas para onde não há "trufas" (sugerindo experiências que não levam a descobertas interessantes). Para não ser injusto com os teóricos - deve-se acrescentar que há notáveis exceções a estas regras - o progresso é feito por tentativa e erro, e a orientação dos teóricos está ocasionalmente na direção certa! E muitas vezes, ao procurar as "trufas" dos teóricos, os experimentalistas encontram "ouro": algo inesperado, mas muito mais interessante (a natureza tende a ser mais criativa do que nós). (Imagem: Alvaro de Rujula / CERN).
O agricultor leva seu porco para a floresta. O porco fareja os arredores, procurando uma trufa. Quando o porco a encontra e está prestes a comê-la, o agricultor bate na cabeça do porco e rouba a trufa. Essas são as semelhanças: um teórico também reivindica o reconhecimento pela descoberta de um experimentalista (se ele tiver alguma coisa a ver com ela/suas teorias), mesmo que ele não tenha a descoberto! A diferença é que o agricultor sempre leva o porco para onde há trufas, enquanto que, na maioria das vezes, os teóricos levam os experimentalistas para onde não há “trufas” (sugerindo experiências que não levam a descobertas interessantes). Para não ser injusto com os teóricos – deve-se acrescentar que há notáveis exceções a estas regras – o progresso é feito por tentativa e erro, e a orientação dos teóricos está ocasionalmente na direção certa! E muitas vezes, ao procurar as “trufas” dos teóricos, os experimentalistas encontram “ouro”: algo inesperado, mas muito mais interessante (a natureza tende a ser mais criativa do que nós). (Imagem: Alvaro de Rujula / CERN).
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