O colisor que poderia salvar a física

Um projeto de acelerador japonês poderia resolver os mistérios que o LHC não conseguiu.

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Crédito: James Olstein.

Artigo traduzido de Scientific American. Autores: Howard Baer, Vernon D. Barger, Jenny List.

A descoberta do bóson de Higgs em 2012 pelo Large Hadron Collider (LHC) do CERN, perto de Genebra, foi uma demonstração espetacular do Modelo Padrão – que descreve todas as partículas e forças conhecidas na física. O Higgs, cuja existência foi prevista pela primeira vez na década de 1960, era a peça que faltava do quebra-cabeça. Desde então, porém, os físicos estão empacados. As partículas então chamadas superparceiras que os cientistas esperavam encontrar no LHC – partículas cuja detecção iria ajudar a resolver problemas de longa data com o Modelo Padrão – nunca apareceram.

Os físicos têm falado há décadas sobre um colisor que poderia encontrar essas partículas desaparecidas. Três anos atrás, uma equipe internacional de físicos e engenheiros terminou o seu design. Chamado de Internacional Linear Collider (ILC), este acelerador com 31 km de extensão iria colidir elétrons e pósitrons sob as montanhas da região de Kitakami no norte do Japão, produzindo aniquilação de matéria-antimatéria que liberarão 250 bilhões de elétron-volts de energia (uma atualização posterior iria dobrar a produção de energia do ILC). O Ministério da Educação, Cultura, Desporto, Ciência e Tecnologia (MEXT) do Japão vai decidir nos próximos dias se o ILC deve ir para a frente. Acreditamos que deveria.

O Modelo Padrão tem um buraco onde o bóson de Higgs de 125 bilhões de elétron-volts se encaixa perfeitamente. E é isso que os cientistas descobriram no LHC. A diferença é que os físicos não podem explicar por que o Higgs tem essa massa (os físicos geralmente medem a massa das partículas em elétron-volts, que funciona porque a energia e a massa são equivalentes). Na verdade, eles sabem desde o início de 1980 que os efeitos quânticos virtuais devem fazer o Higgs ser milhões ou bilhões de vezes mais massivo.

A teoria da supersimetria, ou SUSY, oferece uma solução. Ela postula uma ligação subjacente entre partículas de matéria, tais como quarks e léptons, e partículas portadoras de força, tais como fótons, glúons, e partículas W e Z. Ela também prevê uma série de novas partículas parceiras com nomes extravagantes como squarks (parceiros dos quarks) e Higgsinos (parceiros do bóson de Higgs). Estas partículas parceiras interagem com partículas do Modelo Padrão de uma forma que anula os efeitos quânticos virtuais, produzindo as massas previstas pelo Modelo Padrão e observadas no LHC.

Os físicos pensaram que poderiam encontrar essas superparceiras quando o antecessor do LHC, o colisor Large Electron-Positron do CERN, começou a operar a um quarto de século atrás. Mas eles não encontraram. Quando as partículas superparceiras também não apareceram no LHC, que era muito maior e mais poderoso, alguns físicos entraram em pânico.

Mas há esperança. Recentes pesquisas teóricas sugerem que Higgsinos podem realmente estar aparecendo no LHC – os cientistas simplesmente não conseguem encontrá-los na confusão de partículas geradas pelas colisões próton-antipróton.

Aqui é onde o International Linear Collider iria brilhar. As colisões do ILC envolvem energias significativamente mais baixas do que o LHC, mas a grande vantagem do ILC é que, ao contrário de seu primo europeu, iria colidir elétrons e pósitrons. Ao contrário de prótons e antiprótons, que são feitos de quarks e antiquarks, elétrons e pósitrons são verdadeiramente fundamentais. Suas colisões são muito mais organizadas, fazendo qualquer Higgsino ser muito mais fácil de detectar.

O ILC precisaria de nada menos do que US$ 10 bilhões para ser construído – cerca de duas vezes o custo da construção do LHC. Na verdade, o custo do ILC é provavelmente muito alto para um único país financiar, de modo que a participação internacional é vital. Mas valeria a pena.

A teoria prevê que o ILC deve criar abundantes Higgsinos, sleptons (parceiros de léptons) e outros superparceiros. Se isso acontecer, o ILC confirmaria a supersimetria, reivindicando um modelo da física do universo subatômico que há muito tempo suspeita-se ser verdadeiro. Pelo fato do higgsino poder ser alguma parte da matéria escura ainda não detectada que permeia o cosmos, ele também poderia ajudar a resolver um dos mistérios pendentes da astrofísica. Se os superparceiros ainda assim não aparecerem, a ciência também avançará, e os teóricos de alta energia se concentrarão em outras teorias. De qualquer forma, os conhecimentos adquiridos podem aprofundar nossa compreensão das leis da natureza – e suas implicações para a origem e evolução do próprio universo.

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