Nas profundezas da fronteira franco-suíça, o maior instrumento científico do mundo ficou em silêncio. Depois de colidir prótons quase à velocidade da luz, o Large Hadron Collider (LHC) do CERN parou de funcionar e entrou em um longo desligamento.
Embora nenhuma colisão de partículas ocorra LHCMilhares de cientistas, engenheiros e técnicos estão desmontando peças de máquinas, instalando novas tecnologias e preparando uma das atualizações mais ambiciosas já tentadas na física experimental.
Quando for reiniciado, por volta de 2030, Grande Colisor de Hádrons de Alta Luminosidade (HL-LHC)O bóson de Higgs é capaz de fornecer cerca de sete vezes mais dados do que o colisor que o descobriu.
Para mim, esta paralisação marca mais um marco num projeto que moldou grande parte da minha vida científica. Eu me envolvi muito antes do primeiro colisor de alta luminosidade Partícula do bóson de Higgs era Descoberto em 2012. Durante quase duas décadas tive o privilégio de contribuir para programas em ambos os lados do Atlântico.
Nos EUA, trabalhei como coordenador de atualização Solenóide Lunar Compacto (CMS)Um experimento chave no LHC. O CMS é construído em um ponto do Grande Colisor de Hádrons onde feixes individuais de partículas de prótons colidem. O CMS então captura dados dessas colisões para que possam ser analisados pelos físicos do CERN. Ajudei a liderar o esforço internacional para preparar o CMS para a era do HL-collider.
Hoje, em Oxford, trabalho em outro experimento do LHC Atlas. Atlas e CMS funcionam basicamente da mesma maneira, mas ter duas dessas máquinas ajuda a garantir que descobertas importantes em um experimento sejam verificadas por uma contraparte com uma equipe separada de cientistas. Aqui, meus colegas e eu estamos construindo o módulo detector de pixels de silício para seu rastreador interno atualizado. Isto constituirá uma parte importante da atualização do HL-LHC.
Há alguns meses, vi o primeiro anel de pixels completo montado em Oxford. Era surpreendentemente belo: um delicado conjunto de sensores de silício, componentes eletrônicos e estruturas de suporte cuja elegância refletia anos de engenharia meticulosa.
Pela primeira vez, o detector que imaginamos através de inúmeras análises de projeto, protótipos e reuniões de produção tornou-se realidade.
Nossa contribuição é parte de um detector que está sendo desenvolvido por equipes em todo o mundo. Milhares de componentes devem ser reunidos antes que o High Luminosity Collider esteja pronto para explorar uma nova fronteira na física de partículas.
O LHC já mudou a nossa compreensão da natureza. A descoberta do bóson de Higgs confirmou o mecanismo que dá massa às partículas elementares. O Higgs foi a última peça que faltava Modelo padrão de física de partículas. É a melhor teoria para explicar as três forças fundamentais que governam as partículas elementares e suas interações. Mas, como acontece frequentemente na ciência, a resposta a uma pergunta abre muitas outras.
Investigação de Higgs
A questão mais importante não é mais se o Higgs existe, mas se ele se comporta conforme previsto. Pequenos desvios do modelo ideal podem apontar para partículas ou energias inteiramente novas. Essas descobertas ajudarão a compreender mistérios como a matéria escura ou por que existe mais matéria do que antimatéria no universo.
O desafio é que essas fórmulas são incrivelmente sutis. Em vez de exigirem muito mais energia de colisão, exigem mais colisões. O HL-LHC aumentará a luminosidade do colisor – o número de colisões de prótons que produz – por um fator de cerca de sete ao longo de sua vida útil.
Imagine substituir uma câmera que tira uma foto por segundo por uma câmera que captura sete. Cada imagem parece muito semelhante, mas juntas revelam detalhes que de outra forma seriam invisíveis.
Para a física de Higgs, esses dados extras seriam transformadores. O bóson de Higgs é extremamente evasivo. Alguns dos seus decaimentos mais interessantes – onde se transforma noutras partículas – são tão raros que permanecem fora do alcance do LHC atual. Outros surgiram como indicações mais recentes.
Um exemplo é o decaimento do bóson de Higgs Em duas munas (Um múon é uma partícula subatômica instável). Esta decadência processo raro que testa se o par de Higgs está acoplado a uma partícula leptônica de segunda geração. Outra é a decadência do Higgs Partículas de quark charmosas. Esta é uma das medições de Higgs mais difíceis porque deve ser extraída de um cenário esmagador de colisões normais de partículas.
Estes processos testam uma das propriedades mais fundamentais do bóson de Higgs: se ele interage com partículas mais leves como prevê o Modelo Padrão. Qualquer desvio destas previsões, mesmo que pequeno, pode ser uma evidência de que novas partículas ou forças estão a afectar o Higgs nos bastidores.
E talvez o objetivo mais ambicioso seja observar o par de bósons de Higgs, o que nos permitiria medi-lo pela primeira vez. Autoacoplamento de Higgs— a força com a qual o campo de Higgs interage consigo mesmo. Esta interação determina a forma do campo de Higgs que preenche todo o espaço e acredita-se que tenha desempenhado um papel fundamental na evolução do universo após o Big Bang.
Estes são exactamente o tipo de medições que inspiraram o design do LHC actualizado. Alcançar estas medidas requer uma revolução não só nos aceleradores, mas também nos detectores que registam colisões.
A teia de partículas
No LHC de alta luminosidade, cada cruzamento do feixe de prótons produzirá 200 interações próton-próton simultâneas, várias vezes mais do que hoje. Desvendar esta densa rede de partículas requer detectores mais rápidos, mais precisos e resistentes à radiação do que qualquer outro construído anteriormente.
No centro dos experimentos Atlas e CMS, detectores de rastreamento de silício completamente novos estão substituindo os existentes. Eles devem sobreviver a níveis de radiação que destruiriam rapidamente as gerações anteriores de sensores, enquanto medem as trajetórias das partículas com extraordinária precisão. Alcançar isso requer anos de avanços na tecnologia de sensores de silício, eletrônica ultrarrápida, sistemas de resfriamento e estruturas mecânicas leves.
Um dos recursos mais inovadores dos detectores atualizados é a adição de temporização precisa. Novos detectores de temporização – o Detector de Temporização de Alta Granularidade da Atlas e sistemas similares da CMS – medirão os tempos de chegada das partículas com uma precisão de apenas algumas dezenas de trilionésimos de segundo. Embora centenas de colisões ocorram quase simultaneamente, elas não ocorrem exatamente no mesmo momento.
Ao adicionar o tempo como uma quarta dimensão ao rastreamento de partículas, esses detectores permitirão aos físicos associar cada partícula à colisão exata, reconstruindo assim eventos raros de Higgs escondidos em um vasto cenário de interações sobrepostas.
Uma das maiores recompensas de trabalhar com estes detectores é preparar a próxima geração de físicos para utilizá-los. Os estudantes que ajudam a montar os detectores atuais passarão grande parte de suas carreiras analisando os dados que eventualmente coletarem.
Quando o HL-LHC começar a operar, não irá apenas expandir o programa científico do Grande Colisor de Hádrons. Isso dará início a uma nova era da física exata de Higgs. Quer revele fissuras subtis no Modelo Padrão ou confirme o nosso conhecimento atual com uma precisão sem precedentes, irá moldar a física das partículas nas próximas décadas.
Daniela Bortoletto Professor e chefe de física de partículas Universidade de Oxford. Reimpresso deste artigo a conversa Sob licença Creative Commons. continue lendo original Artigo 
