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quinta-feira, 18 de dezembro de 2014

Voltar para o escuro - Físicos se preparam para a volta do colisor

Com o colisor definido para reiniciar, os físicos olham além do Higgs
Por Alvin Powell, Harvard Gazette
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"Se soubéssemos o que iríamos encontrar, nós todos apenas íamos para casa", disse a Professora de Física Melissa Franklin, uma das cientistas de Harvard que trabalham no experimento ATLAS no Large Hadron Collider do CERN, na Suíça.

Os físicos de Harvard estão olhando com antecipação para a primavera, quando o Large Hadron Collider (LHC) do CERN, na Suíça, será reativado depois de um hiato de dois anos para reparos e consertos. A última vez em que ele funcionou, a ciência comemorou a descoberta do bóson de Higgs, uma partícula elementar há muito procurado e a última prevista pelo Modelo Padrão.
Pode haver muito mais para vir. A descoberta foi feita antes que o Higgs no LHC atingisse a plena potência. Ele estava funcionando em apenas 8 teraelectron volts (TeV) - maior do que qualquer colisor já utilizado, mas muito aquém do seu projetado máximo de 14 TeV.
As atualizações e reparos desde o início de 2013 são esperadas para permitir que o colisor sejaexecutado em 13 TeV. Os resultados são uma incógnita.
"Isso é o que é interessante", disse a Professora de Física Melissa Franklin. "Se soubéssemos o que iríamos encontrar, nós todos apenas íamos para casa."
Os físicos sabiam que o LHC, o colisor mais poderoso na história, iria levá-los para uma nova fronteira da energia, quando começou a operar em 2008. Ao mesmo tempo, eles tiveram uma boa noção do que eles encontrariam.
O Modelo Padrão da física tinha se provado extremamente durável ao longo das décadas anteriores. Um por um, os experimentalistas tinham encontrado cada uma das 40 partículas que foram previstas - quark bottom, top quark, bósons W e Z. Todos exceto um: o bóson de Higgs.
A descoberta provaria que o campo de Higgs teorizado, presente em todo o universo, realmente existe. A partícula se acreditava ser a manifestação física desse campo, e exerce a força que dá as partículas massa. A descoberta também poderia explicar por que algumas partículas são mais pesadas ​​do que outras: Elas interagiriam mais fortemente com o bóson de Higgs.
Assim, com décadas de teorização por trás deles e as descobertas das partículas, antes prova que o Modelo Padrão estava correto, os físicos tinham certeza que o bóson de Higgs estava lá fora.
Mas agora ...
"É mais ou menos como os exploradores árticos, e embora você saiba que há alguns marcos para serem vistos ou previsíveis, que você tenha ido além disso. Agora se está realmente no desconhecido neste momento e não se sabe realmente o que esperar", disse Donner Professor de Ciência n John Huth, que esteve envolvido desde 1995 com o ATLAS, o  experimento do Large Hadron Collider.
Mistérios abundam
Embora o bóson de Higgs complete o Modelo Padrão, isso não significa que não há mais nada para se encontrar - longe disso. "Lá fora" permanece uma questão em aberto, principalmente.
Os modelos atuais sustentam que as coisas que sabemos sobre - nós mesmos, nossos carros, nossas casas, o sistema solar, poeira interestelar, etc. - representa apenas cerca de 5 por cento do universo. Um pedaço grande do resto, 27 por cento, é uma coisa chamada matéria escura, cujos efeitos gravitacionais astrofísicos veem como eles perscrutam os céus, mas cuja natureza permanece um mistério. O restante - cerca de 68 por cento - é a energia escura, sobre o qual os cientistas  entendem menos ainda. (Chris Stubbs, o Samuel C. Moncher Professor de Física e de Astronomia, é um dos vários que estão no caso, embora ao Grande Telescópio Synoptic Survey no Chile, em vez de o LHC.)
Outros mistérios incluem como a gravidade está relacionada com as outras três forças principais no universo: o eletromagnetismo e as forças forte e fraca que atuam no núcleo atômico. Hoje elas estão explicadas pelas teorias distintas. Uma partícula teorizada, o gráviton, que pode levar a força gravitacional, nunca foi vista. Há também a questão de saber se a supersimetria - pensada para incluir uma nova família de partículas - é real. E depois há a possibilidade de que o bóson de Higgs não foi totalmente descrito.
"É emocionante e assustador, porque, por um lado, poderíamos [encontrar] significativos, realmente nova física que poderiam explicar um pedaço de um monte e, de repente, as peças se alinham em termos de cosmologia", disse Huth."Por outro lado, [poderíamos achar que] tudo funciona exatamente como previsto, que não há nada de novo e você fica com 'E agora?' Você coloca um monte para ele, e você gostaria de ver algo sair, mas como um experimentalista, você tem que deixar a Mãe Natureza lhe dizer o que está lá fora. "
Huth e seus colegas de Harvard estão prontos para ouvir. Ele gostaria de ouvir, em especial, o que mais ela tem a dizer sobre o Higgs, como seria Franklin e Professor Associado João Guimarães da Costa. Masahiro Morii, presidente do Departamento de Física, está especialmente interessado em matéria escura e supersimetria.
O ATLAS, sem dúvida, é um fator em suas investigações. O experimento - uma colaboração de 3.000 cientistas de 38 países em que os físicos de Harvard têm desempenhado um papel de liderança - tem sido um hub para os quatro membros do corpo docente da universidade, seis doutorandos e 11 estudantes de pós-graduação ligados ao LHC.
ATLAS - "um aparelho toroidal do LHC" - é um dos quatro enormes detectores dispostos em torno do anel subterrâneo de 17 quilômetros do LHC. Quando em funcionamento, o LHC acelera feixes de prótons em direções opostas e cruza-os dentro do ATLAS. As colisões acontecem tão rapidamente e geram tantos dados que os cientistas têm de aplicar filtros e examinar apenas os resultados mais promissores. Mesmo assim, existem 200 tais "eventos" a cada segundo, gerando uma enorme quantidade de informações para análise, um montante igual a cada ano para 160 vezes o volume de livros na Biblioteca do Congresso, de acordo com estatísticas do Atlas.
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Melissa Franklin (à frente, ao centro) é acompanhado por físicos de ensino companheiros Stephen Chan (da esquerda) e Karri Folan DiPetrillo e Hugh Skottowe, um associado de pesquisa em física. Kris Snibbe / Harvard Staff Photographer
Avante a supersimetria
Tendo estabelecido a existência do Higgs, os físicos planejam usar maior energia no LHC para investigar as propriedades da partícula, incluindo a forma como os casais de outras partículas, se existem vários tipos de bósons de Higgs, por que é tão leve, e quantas vezes ele decai em partículas diferentes. O colisor atualizado deve gerar partículas mais rapidamente nos próximos anos e, assim, criar mais oportunidades de estudo.
"Não há dúvida de que existe uma partícula que descobrimos ter as características de e comporta-se como o bóson de Higgs", disse Guimarães. "Mas não é exatamente o bóson de Higgs descrita no modelo padrão."
"Nós só medimos algumas propriedades e não mediramos bem", disse  David López Mateos, que está trabalhando com Huth. "Temos o dever de [saber] o que é o Higgs do Modelo Padrão, e podemos encontrar alguns novos física ao longo do caminho."
O Higgs também será usado como uma ferramenta para trazer outros segredos para a luz, disse o físico Chris Rogan, um companheiro júnior na Society of Fellows de Harvard. Porque certas partículas interagem com partículas parceiras - acho que prótons e elétrons - a revelação de uma partícula desconhecida que interage com o Higgs é possível.
"Há todos os tipos de perguntas sem resposta. Nós não sabemos o que as respostas vão ser, mas sabemos que eles mentem em escalas de energia mais altos ", disse Rogan.
A supersimetria, que data de 1960, é uma teoria do universo que tem por base o Modelo Padrão. Ele sugere que cada uma das partículas conhecidas já teve um parceiro simétrico que se parecia muito com ele, para salvar a propriedade de rotação. De alguma forma, em uma primeira fração de segundo do universo, que quebrou a simetria inicial, mudando as propriedades das partículas de parceiros. Uma das mudanças foi que eles se tornaram mais pesados, o que significa que só pode ser produzida em colisões mais poderosas do que qualquer outra que vimos até agora.
Alguns cientistas consideram a supersimetria um possível sucessor para o modelo padrão porque iria preencher buracos em nossa compreensão de como o universo funciona. Quando o colisor começar de novo na primavera, Morii e Rogan estarão entre aqueles à procura de partículas simétricas parceiras - squarks, gluinos, e outros.
"Isso realmente poderia resolver um monte de problemas de uma só vez", disse Rogan.
A principal candidato, Morii disse, seria o parceiro supersymmetric para o quark top, chamado de top squark, porque os casais de Higgs mais fortemente às partículas mais pesadas e o quark top é o mais pesado.
Outros, porém, não têm tanta certeza sobre a supersimetria. Guimarães disse que é um pouco demasiado puro para ser acreditado.
"É uma teoria bonita, para que as pessoas querem, mas há um monte de coisas bonitas que não existem", disse Guimarães. "Como um experimentalista, você tem que ir com o que você vê."
Uma área de consenso é que uma nova compreensão da matéria escura pode estar no horizonte. Ao contrário da busca de evidências da supersimetria, a busca pela matéria escura tem a vantagem de físicos sabendo que ela existe. Isso porque os astrofísicos detectaram os efeitos gravitacionais de uma enorme quantidade de matéria invisível no universo puxando as coisas que eles podem ver.
Então, os físicos estão remexendo em seu saco de truques para formas de detectar uma partícula quase invisível -  que não interage com qualquer partícula conhecida, é pesado o suficiente para que ele não tenha sido gerada antes, e é muito estável, com vida quase infinita .
"Não pode ser muito difícil de fazer ou não teria sido feita no Big Bang", disse Morii.
Uma maneira de pesquisar seria através de "monojets", ou partículas individuais disparando em um ângulo, aparentemente de uma colisão com uma partícula sem ser detectado. As leis da física ditam que a partícula deve ter saltado fora de alguma coisa - um indício de que os investigadores, tais como pós-doutorando Valerio Ippolito estão a estudar mais de perto.
É mesmo possível, de acordo com Morii, que os investigadores vão matar dois coelhos com uma cajadada só, traçando a matéria escura e uma partícula supersymmetric, algo chamado de neutralino.
"Em certo sentido, estamos em um ponto em que não há uma coisa que sabemos que tem que existir", disse Morii. "A matéria escura tem que existir, mas há diversas formas possíveis. Estabilização da massa Higgs tem de acontecer, mas a supersimetria é apenas uma explicação possível... Estamos à procura, mas sabemos muito bem que nós estamos procurando por algo que não tem de existir."
Na verdade, não há garantias da física. Franklin adverte que um feixe de alta energia não significa necessariamente que as novas descobertas virão ao virar da esquina. Houve grandes secas entre descobertas partículas apesar dos aceleradores serem cada vez mais poderosos, ressaltou. A descoberta, em 1995, do quark top em Fermilab - um esforço que tanto Huth e Franklin estavam envolvidos  - foi precedida de 12 anos de partículas menos, depois que os bósons W e Z foram descobertos em 1983.

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