Nas profundezas sob a fronteira entre França e Suíça, o maior instrumento científico do mundo está em silêncio. Após anos colidindo prótons a quase a velocidade da luz, o Grande Colisor de Hádrons (LHC, na sigla em inglês), do Centro Europeu de Pesquisas Nucleares (Cern) interrompeu suas operações e entrou em um longo período de reformas.
Enquanto as colisões de partículas no LHC estão paralisadas, milhares de cientistas, engenheiros e técnicos estão desmontando partes da máquina, instalando novas tecnologias e preparando uma das modernizações mais ambiciosas já realizadas na física experimental.
Quando for ligado novamente, por volta de 2030, o LHC se tornará o Grande Colisor de Hádrons de Alta Luminosidade (HL-LHC), capaz de gerar cerca de sete vezes mais dados do que o colisor que originalmente comprovou a existência do bóson de Higgs.
Para mim, essa paralisação marca mais um marco em um projeto que moldou grande parte da minha vida científica. Comecei a me envolver com o colisor de alta luminosidade muito antes de o bóson de Higgs ter sido detectado em 2012. Ao longo de quase duas décadas, tive o privilégio de contribuir para o programa em ambos os lados do Oceano Atlântico.
Nos Estados Unidos, atuei como coordenadora de atualizações do Compact Muon Solenoid (CMS), um experimento fundamental no LHC. O CMS está instalado em um dos pontos do Grande Colisor de Hádrons onde feixes separados 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 de preparação do CMS para a era do colisor de alta luminosidade.
Hoje, em Oxford, Reino Unido, trabalho em outro experimento do LHC chamado Atlas. O Atlas e o CMS funcionam de maneira bastante semelhante, mas ter duas máquinas como essas ajuda a garantir que descobertas significativas feitas por um experimento sejam verificadas por um equivalente com uma equipe separada de cientistas. Aqui, meus colegas e eu estamos construindo módulos de silício detectores de pixels para seu rastreador interno atualizado. Isso constituirá uma parte vital da modernização do HL-LHC.
Há alguns meses, assisti à montagem do primeiro anel de pixels completo em Oxford. Ele era impressionantemente belo: um arranjo delicado de sensores de silício, componentes eletrônicos e estruturas de suporte cuja elegância refletia anos de engenharia meticulosa.
Pela primeira vez, o detector que havíamos imaginado por meio de inúmeras revisões de projeto, protótipos e reuniões de produção havia se tornado realidade.
Mas nossa contribuição é apenas uma parte de um detector que está sendo construído por equipes em todo o mundo. Milhares de componentes precisam ser reunidos antes que o colisor de alta luminosidade esteja pronto para explorar uma nova fronteira na física de partículas.
O LHC já transformou nossa compreensão da natureza. Sua descoberta do bóson de Higgs confirmou o mecanismo que confere massa às partículas elementares. O Higgs era a última peça que faltava no Modelo Padrão da física de partículas. Essa é a melhor teoria para explicar as partículas elementares e as três forças fundamentais da natureza que regem suas interações. Mas, como costuma acontecer na ciência, responder a uma pergunta abriu muitas outras.
Investigando o Higgs
Muitas das questões mais importantes atualmente não são mais sobre se o Higgs existe, mas se ele se comporta exatamente como previsto. Pequenos desvios em relação ao Modelo Padrão poderiam indicar partículas ou forças totalmente novas. Tais descobertas nos ajudariam a compreender mistérios como a matéria escura ou por que o Universo contém muito mais matéria do que antimatéria.
O desafio é que essas pistas são incrivelmente sutis. Em vez de exigirem energias de colisão muito mais altas, elas requerem um número muito maior de colisões. O HL-LHC aumentará a luminosidade do colisor — o número de colisões de prótons que ele produz — em cerca de sete vezes ao longo de sua vida útil.
Imagine substituir uma câmera que tira uma foto por segundo por outra que captura sete. Cada imagem parece praticamente igual, mas, juntas, elas revelam detalhes que, de outra forma, permaneceriam invisíveis.
Para a física do Higgs, esses dados adicionais serão transformadores. O bóson de Higgs é notavelmente evasivo. Alguns de seus decaimentos mais interessantes — nos quais ele se transforma em outras partículas — são tão raros que permaneceram um pouco além do alcance do LHC atual. Outros só recentemente surgiram como indícios instigantes.
Um exemplo é a decomposição do bóson de Higgs em dois múons (um múon é uma partícula subatômica instável). Esse decaimento é um processo raro que testa se o Higgs se acopla a partículas de léptons de segunda geração. Outro é o decaimento do Higgs em partículas de quark charm. Essa é uma das medições mais difíceis do Higgs, pois precisa ser extraída de um fundo avassalador de colisões de partículas comuns.
Esses processos testam uma das propriedades mais fundamentais do bóson de Higgs: se ele interage com partículas mais leves exatamente como previsto pelo Modelo Padrão. Qualquer desvio dessas previsões, mesmo que pequeno, poderia ser uma evidência de que novas partículas ou forças estão influenciando o Higgs nos bastidores.
E talvez o objetivo mais ambicioso de todos seja observar pares de bósons de Higgs, o que nos permitiria medir, pela primeira vez, o autoacoplamento de Higgs — a força com que o campo de Higgs interage consigo mesmo. Essa interação determina a forma do campo de Higgs que preenche todo o espaço e que, acredita-se, tenha desempenhado um papel fundamental na evolução do Universo logo após o Big Bang.
Esses são exatamente os tipos de medições que motivaram o projeto de modernização do LHC. Fazê-las requer uma revolução não apenas no próprio acelerador, mas também nos detectores que registram as colisões.
Teia de partículas
No LHC de Alta Luminosidade, cada cruzamento dos feixes de prótons produzirá até 200 interações próton-próton simultâneas, várias vezes mais do que atualmente. Desemaranhar essa densa teia de partículas exige detectores mais rápidos, mais precisos e muito mais resistentes à radiação do que qualquer outro já construído.
No coração dos experimentos Atlas e CMS, detectores de silício totalmente novos estão substituindo os existentes. Eles devem resistir a níveis de radiação que destruiriam rapidamente as gerações anteriores de sensores, ao mesmo tempo em que medem as trajetórias das partículas com precisão extraordinária. Alcançar isso exigiu anos de avanços na tecnologia de sensores de silício, eletrônica ultrarrápida, sistemas de resfriamento e estruturas mecânicas leves.
Uma das características mais inovadoras dos detectores atualizados é a adição de cronometragem de precisão. Novos detectores de tempo — o Detector de Tempo de Alta Granularidade no Atlas e um sistema semelhante no CMS — medirão o tempo de chegada das partículas com uma precisão de apenas algumas dezenas de trilionésimos de segundo. Embora centenas de colisões ocorram quase simultaneamente, elas não acontecem exatamente no mesmo instante.
Ao adicionar o tempo como quarta dimensão ao rastreamento de partículas, esses detectores permitirão que os físicos associem cada partícula à colisão correta, tornando possível reconstruir eventos raros do Higgs ocultos em um enorme fundo de interações sobrepostas.
Uma das maiores recompensas de trabalhar nesses detectores é ver a próxima geração de físicos se preparando para usá-los. Os estudantes que ajudam a montar os detectores de hoje passarão grande parte de suas carreiras analisando os dados que eles eventualmente coletarão.
Quando o HL-LHC começar a operar, ele não se limitará a ampliar o programa científico do Grande Colisor de Hádrons. Ele dará início a uma nova era da física de precisão do Higgs. Seja revelando sutis falhas no Modelo Padrão ou confirmando nosso entendimento atual com precisão sem precedentes, ele moldará a física de partículas nas próximas décadas.
Daniela Bortoletto é integrante do experimento Atlas no Grande Colisor de Hádrons.
