O que a atualização traz para o CERN
Seis anos após a descoberta, o bóson de Higgs valida uma previsão. Em breve, uma atualização para o Large Hadron Collider permitirá que os cientistas do CERN produzam mais dessas partículas para testar o modelo padrão da física
Um evento candidato ATLAS para o bóson de Higgs (H) decaindo para dois quarks bottom (b), em associação com um bóson W decaindo para um múon (μ) e um neutrino (ν). (Imagem: ATLAS / CERN) Escrito por Rashmi Raniwala e Sudhir Raniwala
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Seis anos depois que o bóson de Higgs foi descoberto no CERN Large Hadron Collider (LHC), os físicos de partículas anunciaram na semana passada que observaram como as partículas indescritíveis decaem. A descoberta, apresentada pelas colaborações ATLAS e CMS, observou o bóson de Higgs decaindo em partículas fundamentais conhecidas como quarks de fundo.
Em 2012, a descoberta do bóson de Higgs, ganhadora do Nobel, validou o modelo padrão da física, que também prevê que cerca de 60% das vezes um bóson de Higgs decairá para um par de quarks bottom. De acordo com o CERN, testar essa previsão é crucial porque o resultado dará suporte ao modelo padrão - que é construído sobre a ideia de que o campo de Higgs dota os quarks e outras partículas fundamentais de massa - ou balançará seus alicerces e apontará para uma nova física.
O bóson de Higgs foi detectado estudando colisões de partículas em diferentes energias. Mas eles duram apenas um zeptosegundo, que é 0,000000000000000000001 segundos, portanto, detectar e estudar suas propriedades requer uma quantidade incrível de energia e detectores avançados. O CERN anunciou no início deste ano que está recebendo uma atualização massiva, que será concluída em 2026.
Por que estudar partículas?
A física de partículas investiga a natureza em escalas extremas, para compreender os constituintes fundamentais da matéria. Assim como a gramática e o vocabulário guiam (e restringem) nossa comunicação, as partículas se comunicam umas com as outras de acordo com certas regras que estão incorporadas no que são conhecidas como as 'quatro interações fundamentais'. As partículas e três dessas interações são descritas com sucesso por uma abordagem unificada conhecida como Modelo Padrão. O SM é uma estrutura que exigia a existência de uma partícula chamada bóson de Higgs, e um dos principais objetivos do LHC era pesquisar o bóson de Higgs.
Como essas partículas minúsculas são estudadas?
Os prótons são coletados em grupos, acelerados quase até a velocidade da luz e levados a colidir. Muitas partículas emergem de tal colisão, denominada como um evento. As partículas emergentes exibem um padrão aparentemente aleatório, mas seguem leis subjacentes que governam parte de seu comportamento. O estudo dos padrões de emissão dessas partículas nos ajuda a entender as propriedades e a estrutura das partículas.
Inicialmente, o LHC forneceu colisões com energias sem precedentes, permitindo que nos concentrássemos no estudo de novos territórios. Mas, agora é hora de aumentar o potencial de descoberta do LHC, registrando um número maior de eventos.
(Fonte: CERN) Então, o que significa uma atualização?
Depois de descobrir o bóson de Higgs, é imperativo estudar as propriedades da partícula recém-descoberta e seu efeito em todas as outras partículas. Isso requer um grande número de bósons de Higgs. O SM tem suas deficiências e existem modelos alternativos que preenchem essas lacunas. A validade desses e de outros modelos que fornecem uma alternativa ao SM pode ser testada por meio de experimentos para verificar suas previsões. Algumas dessas previsões, incluindo sinais para matéria escura, partículas supersimétricas e outros mistérios profundos da natureza são muito raras e, portanto, difíceis de observar, necessitando ainda de um LHC de Alta Luminosidade (HL-LHC).
Imagine tentar encontrar uma variedade rara de diamante entre um grande número de peças aparentemente semelhantes. O tempo necessário para encontrar o cobiçado diamante dependerá do número de peças fornecidas por unidade de tempo para inspeção e do tempo gasto na inspeção. Para concluir esta tarefa com mais rapidez, precisamos aumentar o número de peças fornecidas e inspecionar com mais rapidez. No processo, algumas novas peças de diamante, até então não observadas e desconhecidas, podem ser descobertas, mudando nossa perspectiva sobre variedades raras de diamantes.
Uma vez atualizado, a taxa de colisões aumentará e também a probabilidade de eventos raros. Além disso, discernir as propriedades do bóson de Higgs exigirá seu abundante suprimento. Após a atualização, o número total de bósons de Higgs produzidos em um ano pode ser cerca de 5 vezes o número produzido atualmente; e na mesma duração, o total de dados registrados pode ser superior a 20 vezes.
Com a luminosidade proposta (uma medida do número de prótons que cruzam por unidade de área por unidade de tempo) do HL-LHC, os experimentos serão capazes de registrar cerca de 25 vezes mais dados no mesmo período que para a execução do LHC. O feixe no LHC tem cerca de 2.800 feixes, cada um dos quais contendo cerca de 115 bilhões de prótons. O HL-LHC terá cerca de 170 bilhões de prótons em cada feixe, contribuindo para um aumento na luminosidade por um fator de 1,5.
Como ele será atualizado?
Os prótons são mantidos juntos no feixe usando fortes campos magnéticos de tipos especiais, formados com ímãs quadrupolo. Focar o feixe em um tamanho menor requer campos mais fortes e, portanto, maiores correntes, sendo necessário o uso de cabos supercondutores. Novas tecnologias e novos materiais (Nióbio-estanho) serão usados para produzir os fortes campos magnéticos necessários, que são 1,5 vezes os campos atuais (8-12 tesla).
A criação de bobinas longas para tais campos está sendo testada. Novos equipamentos serão instalados ao longo de 1,2 km do anel do LHC de 27 km próximo aos dois grandes experimentos (ATLAS e CMS), para focar e espremer os cachos antes de seu cruzamento.
Cabos de cem metros de material supercondutor (links supercondutores) com capacidade de até 100 mil amperes serão usados para conectar os conversores de potência ao acelerador. O LHC obtém os prótons de uma cadeia aceleradora, que também precisará ser atualizada para atender aos requisitos de alta luminosidade.
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Uma vez que o comprimento de cada cacho é de alguns cm, para aumentar o número de colisões, uma ligeira inclinação está sendo produzida nos cachos imediatamente antes das colisões para aumentar a área efetiva de sobreposição. Isso está sendo feito usando 'cavidades de caranguejo'.
A comunidade experimental de física de partículas na Índia tem participado ativamente dos experimentos ALICE e CMS. O HL-LHC também exigirá uma atualização destes. Tanto o projeto quanto a fabricação dos novos detectores e a análise de dados que se seguiu terão uma contribuição significativa dos cientistas indianos.
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