Às vezes, a máquina encarregada de facilitar as descobertas giratórias precisa de um pouco de tempo de inatividade. Aqui, um trabalhador de manutenção inspeciona o túnel do LHC em 19 de novembro, 2013. Vladimir Simicek / isifa / Getty Images Às vezes, são as pequenas coisas que o deixam louco. No início do século 20, os físicos pareciam ter o universo muito bem costurado, entre a gravidade newtoniana e as equações eletromagnéticas de Maxwell. Havia apenas um problema persistente:como explicar a radioatividade. Abordar isso desencadeou uma revolução científica que revelou a surpreendente verdade sobre as pequenas coisas:às vezes, elas contêm universos.
Física de partículas e mecânica quântica, as ciências dos verdadeiramente pequenos, trouxe à física mais duas forças fundamentais e uma coleção de partículas elementares estranhas, mas depois da década de 1970 pouco restou além de testar e refinar a teoria dominante, a modelo padrão . Outros 30 anos de partículas subatômicas produzidas por aceleradores e aceleradores preencheram os espaços em branco, ainda assim, muitas perguntas permaneceram:por que algumas partículas tinham massa e outras não? Poderíamos unificar as quatro forças fundamentais ou fazer a relatividade geral e a mecânica quântica se darem bem?
Será que um desses fios pendurados provocaria outra revolução? Descobrir seria uma tarefa maior, mais poderoso colisor de partículas do que nunca, um anel de 27 quilômetros de ímãs supercondutores mais frio do que o espaço sideral, capaz de juntar partículas perto da velocidade da luz em um vácuo ultra-alto. Em 10 de setembro, 2008, este Large Hadron Collider (LHC) de $ 10 bilhões, o esforço colaborativo de centenas de cientistas e engenheiros em todo o mundo, ingressou no campus de aceleradores da Organização Europeia para Pesquisa Nuclear (CERN) e logo quebrou os recordes de colisão de partículas.
Vamos relembrar o que aprendemos até agora, começando com a descoberta mais famosa de todas.
O professor Peter Higgs visita a exposição 'Collider' do London Science Museum em 12 de novembro, 2013. Acho que é seguro dizer que Higgs e seus colegas não previram a comoção do bóson de Higgs. Peter Macdiarmid / Getty Images Em nosso mundo macro, assumimos que todas as partículas têm massa, por menor que seja. Mas no mundo micro, teoria eletrofraca , que amarra as forças eletromagnéticas e fracas em uma força subjacente, prevê que partículas especiais chamadas mediadores não deve ter massa alguma; o que é um problema, porque alguns deles fazem.
Os mediadores são portadores da força: Fótons transmitir eletromagnetismo, enquanto Bósons W e Z carregam força fraca. Mas enquanto os fótons não têm massa, Bósons W e Z têm um peso substancial, na ordem de 100 prótons cada [fonte:CERN].
Em 1964, o físico Peter Higgs da Universidade de Edimburgo e a equipe de François Englert e Robert Brout da Universidade Livre de Bruxelas propuseram independentemente uma solução:um campo incomum que transmitia massa com base na forte interação das partículas com ele. Se este Campo de Higgs existia, então deve ter uma partícula mediadora, uma Bóson de Higgs . Mas seria necessária uma instalação como o LHC para detectá-lo.
Em 2013, os físicos confirmaram que encontraram um bóson de Higgs com uma massa de aproximadamente 126 giga-elétron-volts (GeV) - a massa total de cerca de 126 prótons (a equivalência massa-energia permite que os físicos usem elétron-volts como uma unidade de massa) [fontes :Das]. Longe de fechar os livros, isso abriu áreas totalmente novas de pesquisa sobre a estabilidade do universo, porque parece conter muito mais matéria do que antimatéria, e a composição e abundância da matéria escura [fontes:Siegfried].
Ele detecta quarks! O falecido físico teórico Nathan Isgur exibe um modelo de parte de uma máquina para observar o comportamento dos quarks. O preço (em 1981) era de US $ 83 milhões. Ron Bull / Toronto Star via Getty Images Em 1964, dois pesquisadores lutando para dar sentido hadrões - partículas subatômicas afetadas pela força forte - individualmente surgiu a ideia de que eram feitas de uma partícula constituinte com três tipos. George Zweig chamou-os de ases; Murray Gell-Mann os apelidou quarks e rotulou seus três tipos, ou sabores, como "para cima, "" baixo "e" estranho ". Os físicos mais tarde identificariam três outros sabores de quark:" charme, " "cabeçalho e rodapé."
Por muitos anos, os físicos dividiram os hádrons em duas categorias com base nas duas maneiras que os quarks os criaram: bárions (incluindo prótons e nêutrons) eram compostos de três quarks, enquanto que mesons (como píons e kaons) foram formados por pares quark-antiquark [fontes:CERN; ODS]. Mas seriam essas as únicas combinações possíveis?
Em 2003, pesquisadores no Japão encontraram uma partícula estranha, X (3872) , que parecia ser feito de um quark charme, um anticharm e pelo menos dois outros quarks. Ao explorar a possível existência da partícula, pesquisadores encontraram Z (4430) , uma aparente partícula de quatro quarks. O LHC, desde então, descobriu evidências para várias dessas partículas, que quebram - ou pelo menos dobram substancialmente - o modelo estabelecido para arranjos de quark. Essas partículas Z são fugazes, mas pode ter prosperado por um microssegundo ou mais após o Big Bang [fontes:O'Luanaigh; Diep; Conceder].
Um trabalhador está abaixo do Compact Muon Solenóide (CMS), um detector de uso geral no LHC. Alguns físicos têm grandes esperanças de que o detector descubra evidências para fortalecer o SUSY. Fabrice Coffrini / AFP / Getty Images Teóricos avançados supersimetria , apelidado SUSY , para lidar com vários problemas incômodos que o modelo padrão deixou sem resposta, como por que algumas partículas elementares têm massa, como o eletromagnetismo e as forças nucleares fortes e fracas podem ter se unido e, possivelmente, de que matéria escura é feita. Ele também estabeleceu uma relação tentadora entre os quarks e léptons que compõem a matéria e o bósons que medeiam suas interações. Como os bárions mencionados anteriormente, léptons (como elétrons) pertencem a um grupo de partículas subatômicas chamadas fermions que têm propriedades quânticas opostas aos bósons. Ainda, de acordo com SUSY, cada férmion tem um bóson correspondente, e vice versa, e cada partícula pode se transformar em sua contraparte [fontes:CERN; Siegried].
Se for verdade, SUSY significaria que os dois tipos de partículas elementares (férmions e bósons) são apenas dois lados da mesma moeda; removeria certas quantidades infinitas descontroladas que surgem na matemática, permitindo que as partículas correspondentes se cancelassem; e abriria espaço para a gravidade - uma omissão gritante no modelo padrão - porque as conversões férmion-bóson e bóson-férmion podem envolver grávitons , os carregadores de força gravitacional há muito teorizados.
Os físicos esperavam que o LHC encontrasse evidências para apoiar o SUSY ou revelasse problemas mais profundos que apontariam para um novo território teórico e experimental. Até aqui, nem parece ter acontecido, mas não exclua a supersimetria ainda. SUSY existe em muitas versões, cada um ligado a suposições particulares; o lhc apenas peneirou algumas das variedades mais elegantes e prováveis.
A sopa do dia no CERN é um forte plasma de quark-gluon. Wavebreakmedia Ltd / Wavebreak Media / Thinkstock Quando os cientistas calibrando os instrumentos do LHC pularam as colisões próton-próton usuais e optaram por levar prótons em núcleos de chumbo, eles notaram um fenômeno surpreendente:os caminhos aleatórios que os estilhaços subatômicos resultantes geralmente tomavam foram substituídos por uma coordenação aparente.
Uma teoria avançada para explicar o fenômeno diz que o impacto criou um estado exótico da matéria chamado plasma quark-gluon (QGP) , que fluía como líquido e produzia partículas coordenadas à medida que esfriava. Ambos os Laboratórios Nacionais de Brookhaven e o LHC criaram anteriormente o QGP - a forma mais densa de matéria fora de um buraco negro - colidindo íons pesados como chumbo e ouro. Se o QGP de uma colisão próton-chumbo for possível, pode afetar significativamente as ideias de como os cientistas veem as condições imediatamente após o Big Bang, quando QGP teve seu breve apogeu. Só há um problema:a colisão não deveria ter energia suficiente para produzir a suposta sopa de quark [fontes:CERN; Conceder; Roland e Nguyen; Que].
Embora a maioria dos físicos favoreça essa ideia, apesar de seus problemas, alguns têm defendido uma segunda explicação envolvendo um campo teórico criado por glúons , as partículas que medeiam a força forte e colam quarks e antiquarks em prótons e nêutrons. A hipótese diz que os glúons passando perto da velocidade da luz formam campos que os fazem interagir. Se correto, este modelo pode fornecer informações valiosas sobre a estrutura e interação do próton [fontes:Grant].
Seiscentos milhões de colisões de partículas por segundo podem gerar muitos dados e, consequentemente, análise. Provavelmente, é seguro dizer que os dados do LHC renderão muito mais surpresas. Fabrice Coffrini / AFP / Getty Images Por mais ilógico que possa parecer, muitos físicos esperavam que o LHC fizesse alguns furos no modelo padrão. A estrutura tem problemas, Afinal, e talvez uma ou duas descobertas surpreendentes confirmariam a supersimetria, ou pelo menos apontar para novos caminhos de pesquisa. Como mencionamos, no entanto, o LHC desferiu golpes repetidos contra a física exótica enquanto reconfirmava o modelo padrão a cada curva. Garantido, os resultados não estão completos (há uma enorme quantidade de dados para analisar), e o LHC ainda não atingiu sua energia total de 14 tera-elétron-volts (TeV). No entanto, as chances não parecem boas para fazer o modelo padrão parecer ruim.
Ou talvez eles façam, se um relatório de 2013 sobre o decaimento do mesão B é uma indicação. Ele mostra mésons B decaindo em um méson K (também conhecido como um kaon) e dois múons (partículas semelhantes a elétrons), que não levantaria nenhuma sobrancelha, exceto que a decadência seguiu um padrão não previsto pelo modelo padrão. Infelizmente, o estudo atualmente está abaixo do limite de dançar em nosso jaleco. Ainda, é alto o suficiente para criar esperanças, e a análise de dados adicionais pode avançá-lo da zona vermelha para a zona final. Se então, o estranho padrão de decadência pode oferecer o primeiro vislumbre da nova física que tantos estão procurando [fontes:Johnston; O'Neill].
Após a conclusão do LHC, alguns se perguntaram o que significaria para a física se o bóson de Higgs não aparecesse. Não era apenas a principal razão de ser do massacrador de átomos; era uma espécie de eixo central do modelo padrão.
Agora há um problema maior, e envolve as medições de radiação cósmica de fundo feitas pela segunda geração do Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization (BICEP2). Se as observações do BICEP2 se provarem corretas, então, o campo de Higgs deveria ter sido enérgico o suficiente durante o Big Bang para causar um Big Crunch imediato. Em outras palavras, se ambas as ideias forem verdadeiras, então não deveríamos estar aqui para discutir sobre por que não podem ser ambos verdadeiros.
