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Estados Unidos e o futuro da física de partículas

Pesquisadores americanos comprometidos com esforços internacionais

Por Don Lincoln

Nos últimos anos, numerosas histórias apareceram na mídia sobre os sucessos do Grande Colisor de Hádrons, em especial a descoberta do bóson de Higgs. Isso levou algumas pessoas a sugerir que a pesquisa europeia está em ascensão, enquanto a pesquisa dos Estados Unidos está ficando para trás.

É indiscutível a redução sofrida pelos orçamentos de física de partículas dos Estados Unidos na última década, e também é inquestionável que o país ainda tem grande influência nesse fascinante setor de pesquisa, colaborando em projetos europeus e asiáticos enquanto também desenvolve um forte programa nacional.

Para apreciar adequadamente a extensão das contribuições norte-americanas para a pesquisa da física de partículas, é preciso distinguir entre seus programas internacional e nacional. O programa internacional está atualmente (e adequadamente) focado no LHC.

Esse colisor em forma de anel é, sem dúvida, um equipamento formidável. Ele tem mais de 27 quilômetros de circunferência, precisou de 25 anos para ser planejado e construído, custou US$10 bilhões, e precisa de aproximadamente 10 mil cientistas para ser operado e ter seus dados estudados. Quatro experimentos distintos (ALICE, ATLAS, CMS e LHCb) foram construídos para investigar algumas das questões mais antigas da humanidade.

Físicos empregados pelas universidades e laboratórios nacionais americanos somam cerca de um terço do programa experimental do LHC, o que faz dos Estados Unidos o país com o maior envolvimento no projeto em todo o mundo.

Ainda que o próprio CERN empregue mais cientistas no LHC que qualquer outra instituição, o Fermilab e o Laboratório Nacional Brookhaven, dos Estados Unidos, têm o segundo lugar absoluto com o CMS e o ATLAS, respectivamente. Físicos americanos conduzem muitos trabalhos de análises e a colaboração CMS até elegeu o professor Joe Incandela, da University of California, Santa Barbara, para ser o líder do grupo.  

Ainda que não seja possível negar o fascínio do LHC como oportunidade científica, pesquisadores dos Estados Unidos também desenvolvem um programa doméstico ativo e vibrante. O Fermilab serve como central para a comunidade americana de física de partículas e os dois aceleradores do laboratório, tanto presentes quanto futuros, estão ajudando cientistas a abrir novos caminhos no fascinante mundo atômico.

O LHC já está firmemente estabelecido como a instalação de mais alta energia do mundo no futuro próximo, e por isso o Fermilab está se concentrando em uma técnica diferente para mergulhar nas regras fundamentais do Universo. Ao optar por produzir os feixes de partículas com a maior intensidade já conseguida, o programa americano é capaz de investigar alguns dos fenômenos mais raros já imaginados, em escalas energéticas que muito excedem as acessíveis no LHC. 
Reidar Hahn/Fermilab
O Anel Principal e o Injetor Principal do Fermilab, vistos do ar. 
“Alta energia” significa feixes de partículas individuais viajando a velocidades sem precedentes, enquanto “alta intensidade” significa muitas partículas concentradas em uma pequena área, de modo muito semelhante ao de uma lente de aumento concentrando a luz. Quando muitas partículas são colocadas em grande proximidade, existe uma pequena chance de que uma flutuação quântica permita a ocorrência de uma interação extremamente improvável de energia ultra alta.

É fácil explicar às pessoas porquê construir uma instalação de energia mais alta é importante, mas compreender porquê feixes de maior intensidade são uma das principais estratégias de pesquisa já é um pouco mais difícil e exige duas observações. A primeira, e mais simples, é perceber que, na física de partículas, nós procuramos colisões raras entre feixes de partículas. A razão de procurarmos as raras é que as comuns já foram estudadas.

Para observar as colisões mais raras, é preciso produzir um grande número de colisões e esperar. É como tentar ganhar na loteria. É improvável que você ganhe com apenas um bilhete mas, se você comprar muitos, existe uma chance muito maior de se sair vencedor.

A observação mais sutil se baseia nos princípios da física, especificamente os da mecânica quântica. Ainda que uma das regras mais firmes da física clássica seja a conservação de energia, essa regra não é tão estritamente observada no reino quântico. De acordo com o Princípio da Incerteza de Heisenberg a energia pode simplesmente aparecer, contanto que desapareça rápido o bastante. Além disso, quanto maior o desequilíbrio energético temporário, menor sua duração. Assim, como persistem por um tempo muito curto, os grandes desequilíbrios energéticos são muito raros. E, como observei acima, para estudar processos muito raros precisamos empregar feixes muito intensos.

Usando o atual complexo do acelerador do Fermilab, físicos estão estudando as interações entre neutrinos e matéria.

Neutrinos só são afetados pela força nuclear fraca, e podem atravessar uma grande quantidade de matéria sem interagir com ela. Para fins de escala, o Sol emite neutrinos constantemente. Se quiséssemos deter metade deles, precisaríamos de uma parede composta de chumbo sólido com cinco anos-luz de espessura! Dada sua relutância em interagir, a única maneira de garantir interações suficientes de neutrinos para estudar é produzir feixes incrivelmente intensos e analisá-los com massivos detectores de partículas.

Os experimentos MINOS e NOVA do Fermilab lançam feixes de neutrinos sem precedentes, de Chicago para o norte de Minnesota, para estudar um fenômeno interessante chamado de oscilações de neutrinos. Neutrinos são únicos por conseguirem mudar sua identidade, aproximadamente como se um elétron pudesse se transformar em um próton e voltar a ser elétron. Espera-se que a compreensão desse comportamento oscilatório possa explicar porquê o Universo é feito unicamente de matéria, já que acreditamos que matéria e antimatéria tenham existido em quantidades iguais quando o Universo começou. 
Reidar Hahn/Fermilab
O anel de armazenagem múon g-2 chegando ao Fermilab, perto de Chicago, em julho de 2013, após uma longa viagem a partir do Laboratório Nacional Brookhaven em Long Island, no estado de Nova York. 
Outro grande destaque na pesquisa com física de partículas dos Estados Unidos é o uso do complexo do Fermilab para estudar múons, os primos pesados dos elétrons. Cientistas do experimento Múon g-2 medirão o momento magnético dos múons. Medidas anteriores realizadas no Laboratório Nacional Brookhaven foram muito exatas – com oito dígitos de precisão. Existe, porém, uma intrigante tensão entre dados e previsões teóricas.

Ainda que tanto as medidas quanto as previsões tenham precisão esplêndida, os dois números são ligeiramente diferentes. Essa discordância é pequena, mas é cerca de três vezes e meia maior que as incertezas experimental e teórica combinadas. Essa discrepância poderia significa o início de uma nova física, que poderia envolver a supersimetria, a subestrutura do múon ou algo completamente inesperado. Como o Fermilab consegue produzir mais feixes intensos de múons que Brookhaven, o aparato g-2 foi enviado de Long Island, no estado de Nova York, para Chicago para analisar esse problema com mais detalhes.

Outra interessante questão investigada tem relação com decaimentos não convencionais de múons. A maioria dos múons decai em elétrons e dois neutrinos, mas existem razões para suspeitar que talvez múons possam decair em elétrons sem neutrinos. O experimento Mu2e do Fermilab foi programado para começar a registrar dados em alguns anos, e esse experimento será sensível a escalas energéticas muito superiores às que o LHC é capaz de atingir. 

Como neutrinos se transformam em outros tipos de neutrinos e quarks podem se transformar em outros quarks, físicos acreditam que a transformação de múons em elétrons pode ser possível. Como espera-se que esse decaimento seja muito raro (se existir), essa é outra razão para produzir feixes de múons de alta intensidade.

Um estudo sobre perguntas prementes que foi realizado durante vários anos por toda a comunidade de física de partículas dos Estados Unidos resultou em uma firme recomendação para atualizar o complexo do acelerador do Fermilab para aumentar ainda mais a quantidade de feixes que ele pode produzir. Assim, o plano de longo prazo para o Fermilab é aumentar a intensidade de seus feixes de neutrinos em pelo menos 50% e lançar esses feixes contra um detector previsto para o estado de Dakota do Sul. Como neutrinos mudam de identidade (ou seja, oscilam) enquanto viajam, posicionar detectores a distâncias diferentes do Fermilab produzirá uma visão complementar de oscilações de neutrinos e lançará mais luz sobre o fenômeno. 

Mas a comunidade americana não esqueceu a fronteira energética. No futuro, um acelerador substituirá o LHC como líder energético. Ainda levará muito tempo até que decidam onde essa instalação poderá ficar localizada (ou até mesmo que tipos de feixes serão necessários: de prótons ou de elétrons). Mas, para estarem preparadas, várias instituições dos Estados Unidos já estão expandindo os programas de desenvolvimento de seus aceleradores. Não importa que a futura instalação seja construída nos Estados Unidos, na Europa ou na Ásia, os cientistas de aceleradores norte-americanos estarão altamente engajados em desenvolver a tecnologia necessária.

Mesmo com orçamentos apertados, a comunidade de física de partículas dos Estados Unidos continua a ter um imenso impacto nas investigações de algumas das mais antigas questões científicas da humanidade, e seu apoio continuado é fundamental para manter esse papel de liderança.