Máquina poderá desvendar os mistérios do universo
O Grande Colisor de Hádrons do CERN transformou nossa compreensão do universo. Agora, o laboratório quer construir algo muito maior, e os cientistas estão unidos em torno dessa ideia.
A Organização Europeia para a Investigação Nuclear (CERNLink externo, na sigla em francês), o maior laboratório de física de partículas do mundo, já tem mais de 70 anos de funcionamento. Ele foi construído com base na colaboração entre 25 estados-membros, 10 estados associados, bem como observadores como os Estados Unidos e a União Europeia.
O grande laboratório também foi construído sob a premissa de que algumas questões são grandes demais para que um único país responda sozinho. Trata-se de perguntas como: do que é feito o universo? Por que a matéria existe? O que aconteceu no primeiro instante após o Big Bang?
Em 2012, essa premissa se provou correta. Cientistas que trabalham no Grande Colisor de HádronsLink externo (LHC) do CERN anunciaram a descoberta do bóson de Higgs, a chamada partícula de Deus, que confere massa às partículas fundamentais, os menores blocos de construção do universo. “Sem o bóson de Higgs, não estaríamos aqui”, afirma Fabiola Gianotti, que liderou o CERN como diretora-geral por dez anos, até janeiro deste ano.
Os artigos desta série analisam em que ponto se encontra o maior laboratório de física de partículas do mundo no que diz respeito às suas ambições científicas e aos seus esforços para continuar sendo um ponto de encontro internacional para a compreensão do nosso universo.
Mas a descoberta levantou tantas perguntas quanto respostas. E agora, com o LHC se aproximando dos limites do que pode revelar, o CERN está planejando seu passo mais ousado até o momento: um novo colisor de partículas quase quatro vezes maior que o LHC, enterrado a 200 metros de profundidade, passando sob o Lago de Genebra e o Rio Ródano.
Chamado de Futuro Colisor Circular (FCC, na sigla em inglês), ele deverá entrar em operação na década de 2040 e se tornará o maior instrumento científico já construído e, segundo seus defensores, o mais importante.
A construção também está orçada em 15 bilhões de francos (US$ 24 bilhões), e o próximo grande desafio do CERN é arrecadar esses fundos em meio a um cenário geopolítico complexo. “O FCC é extremamente importante para a área, e se alguém pode fazer isso, é o CERN”, diz Maria Spiropulu, colaboradora do CERN que trabalha no Instituto de Tecnologia da Califórnia.
O legado do bóson de Higgs
“Quando dou palestras públicas, sempre destaco oito grandes questões em aberto na física de partículas, e metade delas sempre tem algo a ver com o bóson de HiggsLink externo”, diz Mark Thomson, físico britânico que assumiu o cargo de diretor-geral do CERN em janeiro.
Thomson quer entender por que as 12 partículas fundamentais conhecidas têm massas diferentes e se o próprio bóson de Higgs deve ser considerado uma partícula fundamental. Essas não são questões que o LHC atual consegue responder com precisão suficiente.
Outros físicos são atraídos por mistérios ainda mais fundamentais. Ben Kilminster, físico de partículas da Universidade de Zurique, está obcecado com a matéria escura. “É um pouco constrangedor dizer que você tem um modelo de todas as partículas do universo, mas não sabe do que são feitos os 80 a 85% restantes do universo”, diz.
Há também o enigma de por que o Big Bang produziu mais matéria do que antimatéria. “O FCC pode abordar o maior número de questões em aberto por meio de testes independentes”, afirma Kilminster.
Máquina para o próximo século
Em sua primeira fase, o FCC seria o que os físicos chamam de “fábrica de Higgs”: uma máquina projetada para produzir muitos bósons de Higgs sob condições precisamente controladas. Elétrons e pósitrons circulariam em um novo anel com 90,7 quilômetros de circunferência, ou seja, mais de três vezes o comprimento do LHC, enterrado a até 200 metros de profundidade. “A principal motivação do FCC é realmente explorar o bóson de Higgs em detalhes e usá-lo para explorar o universo em áreas que não compreendemos”, diz Thomson.
Numa segunda fase, potencialmente operacional na década de 2070, o mesmo túnel abrigaria um colisor de prótons capaz de colidir partículas com dez vezes a energia do atual LHC. Esta nova máquina levaria as atuais hipóteses teóricas aos seus limites e possivelmente descobriria novas partículas mais pesadas. “Seria possível criar partículas com cerca de 10 vezes a massa das atuais”, afirma Kilminster.
Um estudo de viabilidade realizado por 1.500 especialistas e aprovado pelo Conselho do CERN confirmou a viabilidade científica do projeto. O estudo analisou os objetivos científicos do laboratório, a geologia da região e os custos e impactos ambientais de um novo colisor.
O Grupo de Estratégia Europeia, nomeado pelo CERN e composto por alguns dos físicos de partículas mais proeminentes do continente, descreveu o FCC como responsável pelo “programa de física de partículas de alta precisão mais abrangente do mundo, com um potencial de descoberta excepcional”.
Segundo Thomson, existe “um consenso absoluto e claro na comunidade de física de partículas de que o FCC é o caminho certo a seguir”. “Analisamos todas as opções e, claramente, do ponto de vista científico, a máquina preferida para ser construída”, afirma.
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Novo colisor do CERN depende de apoio político global
Além da física
Embora o consenso científico em torno do FCC seja sólido, os argumentos políticos e sociais a favor do projeto ainda estão sendo negociados, visto que os 15 bilhões de francos necessários para o financiamento estão longe de ser garantidos e a oposição local está crescendo. Uma rede de associações suíças e francesas, liderada pela ONG Noé21, sediada em Genebra, tem realizado uma campanha contínua contra o projeto.
O consumo de eletricidade do CERN já corresponde a cerca de um terço da energia utilizada por todo o cantão de Genebra, e a construção geraria cerca de oito milhões de metros cúbicos de material de escavação. “Eu entendo as necessidades deles, mas isso não significa que devamos aceitar algo que custará dezenas de bilhões e contaminará a região por muitos anos”, afirma Jean-Bernard Billeter, da Noé21.
Thomson reconhece que o argumento ainda não foi totalmente apresentado. “Temos que demonstrar que podemos construir essa máquina de forma ambientalmente responsável”, afirma.
Os cientistas também destacam que os benefícios das descobertas feitas no CERN vão muito além do laboratório. Foi no CERN que a World Wide Web foi inventada. Os aceleradores de partículas deram origem às máquinas de radioterapia usadas no tratamento do câncer. As fontes de luz síncrotron de alta energia, desenvolvidas no CERN, são hoje ferramentas essenciais para analisar novos materiais e desenvolver novos medicamentos.
A segunda fase do programa FCC impulsionaria avanços em supercondutores de alta temperatura para ímãs de alto campo – tecnologia com aplicações diretas em imagens médicas e energia de fusão. “Na física de partículas, tentamos fazer o quase impossível, e então desenvolvemos nossas tecnologias até o quase impossível, e, inevitavelmente, algo surgirá no futuro”, diz Thomson.
Antes do início dos trabalhos no FCC, o equipamento atual do CERN passará por uma grande reforma. No dia 30 de junho, o Grande Colisor de Hádrons (LHC) será desligado por quatro anos. O equipamento modernizado, conhecido como LHC de Alta Luminosidade, ou HiLumi, tem como objetivo produzir cerca de dez vezes mais colisões de prótons do que o projeto original do LHC, possibilitando medições muito mais detalhadas do bóson de Higgs, incluindo, pela primeira vez, como ele interage consigo mesmo.
Físicos instalarão novos ímãs feitos de materiais supercondutores inovadores, gerando campos magnéticos de 11,3 tesla, o que representa um aumento em relação aos atuais 8,6 tesla. Maria Spiropulu, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, CalTech, ajudou a desenvolver um novo detector de tempo para o experimento CMS, capaz de distinguir colisões que ocorrem com apenas 30 picossegundos de intervalo.
A atualização HiLumi é, nas palavras de Thomson, “uma nova era para o LHC”, e uma ponte científica para o que quer que venha a seguir.
Edição: Gabe Bullard e Veronica DeVore/dos
Adaptação: DvSperling
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