Em um evento simulado, o rastro de uma partícula de decaimento chamada muon (vermelho), deslocada ligeiramente do centro de colisões de partículas, poderia ser um sinal de nova física.
ATLAS EXPERIMENT © 2019 CERN
Há novas partículas que se materializam mesmo debaixo do nariz dos físicos e passam despercebidas? O grande destruidor de átomos do mundo, o Large Hadron Collider (LHC), pode estar fazendo partículas de vida longa que deslizam através de seus detectores, dizem alguns pesquisadores. Na próxima semana, eles se reunirão na casa do LHC, o CERN, o laboratório europeu de física de partículas perto de Genebra, na Suíça, para discutir como capturá-las. Eles argumentam que a próxima corrida do LHC deve enfatizar tais buscas, e alguns estão chamando por novos detectores que possam farejar as partículas fugitivas.
É um empurrão que nasce da ansiedade. Em 2012, experimentadores do LHC de 5 bilhões de dólares descobriram o bóson Higgs, a última partícula prevista pelo modelo padrão de partículas e forças, e a chave para explicar como partículas fundamentais obtêm suas massas. Mas o LHC ainda não explodiu nada além do modelo padrão. “Não encontramos nenhuma nova física com as suposições com que começamos, então talvez precisemos mudar as suposições”, diz Juliette Alimena, uma física da Ohio State University em Columbus que trabalha com o Solenóide Compact Muon (CMS), um dos dois principais detectores de partículas alimentado pelo LHC.
Durante décadas, os físicos confiaram em uma estratégia simples para procurar novas partículas: Esmagar protões ou electrões a energias cada vez maiores para produzir novas partículas pesadas e vê-las decompor-se instantaneamente em partículas mais leves e familiares dentro dos enormes detectores em forma de barril. Foi assim que o CMS e o seu detector rival, A Toroidal LHC Apparatus (ATLAS), detectaram os Higgs, que num trilião de nanossegundos podem decompor-se, entre outras coisas, num par de fotões ou dois “jactos” de partículas mais leves.
Partículas de longa duração, no entanto, atravessariam parte ou a totalidade do detector antes de se decomporem. Essa ideia é mais do que um tiro no escuro, diz Giovanna Cottin, uma teórica da Universidade Nacional de Taiwan em Taipei. “Quase todas as estruturas da física fora do padrão prevêem a existência de partículas de vida longa”, diz ela. Por exemplo, um esquema chamado super-simetria postula que cada partícula de modelo padrão tem um superparceiro mais pesado, alguns dos quais podem ser de longa duração. Partículas de longa duração também emergem em teorias do “setor escuro” que prevêem partículas indetectáveis que interagem com a matéria comum apenas através de partículas “porosas”, como um fóton escuro que de vez em quando substituiria um fóton comum em uma interação de partículas.
CMS e ATLAS, no entanto, foram projetados para detectar partículas que se decompõem instantaneamente. Como uma cebola, cada detector contém camadas de subsistemas rastreadores que rastreiam partículas carregadas, calorímetros que medem energias de partículas e câmaras que detectam partículas penetrantes e particularmente úteis chamadas de muões – tudo isso em torno de um ponto central onde os feixes de prótons do acelerador colidem. Partículas que voam mesmo alguns milímetros antes da decomposição deixariam assinaturas incomuns: trilhas dobradas ou deslocadas, ou jatos que emergem gradualmente em vez de todos ao mesmo tempo.
Análise de dados padrão frequentemente assume que tais odds são erros e lixo, observa Tova Holmes, um membro da ATLAS da Universidade de Chicago em Illinois que está procurando as trilhas deslocadas de decomposição de partículas supersymmetric de longa duração. “É um desafio porque a forma como concebemos as coisas, e o software que as pessoas têm escrito, basicamente rejeita essas coisas”, diz ela. Então Holmes e colegas tiveram que reescrever alguns desses softwares.
Mais importante é garantir que os detectores registrem os eventos estranhos, em primeiro lugar. O LHC esmaga cachos de prótons juntos 40 milhões de vezes por segundo. Para evitar sobrecarga de dados, os sistemas de disparo no CMS e ATLAS peneiram colisões interessantes a partir de colisões monótonas e imediatamente descartam os dados cerca de 19.999 de cada 20.000 colisões. O abate pode inadvertidamente atirar partículas de vida longa para fora. Alimena e colegas queriam procurar partículas que vivessem o tempo suficiente para ficarem presas no calorímetro do CMS e só mais tarde se decomporem. Então eles tiveram que colocar um gatilho especial que ocasionalmente lê todo o detector entre as colisões de prótons.
Procuras de partículas de longa duração foram esforços marginais, diz James Beacham, um experimentador ATLAS da Duke University em Durham, Carolina do Norte. “Tem sido sempre um tipo a trabalhar nisto”, diz ele. “O seu grupo de apoio era você no seu escritório.” Agora, os investigadores estão a unir forças. Em março, 182 deles lançaram um white paper de 301 páginas sobre como otimizar suas buscas.
Alguns querem que ATLAS e CMS dediquem mais gatilhos às buscas de partículas de longa duração na próxima execução do LHC, de 2021 a 2023. Na verdade, a próxima corrida “é provavelmente a nossa última chance de procurar por eventos raros incomuns”, diz Livia Soffi, uma membro do CMS da Universidade Sapienza de Roma. Depois disso, uma atualização aumentará a intensidade dos feixes do LHC, exigindo disparos mais apertados.
Outros propuseram uma meia dúzia de novos detectores para procurar partículas de vida tão longa que escapam completamente dos detectores existentes do LHC. Jonathan Feng, um teórico da Universidade da Califórnia, Irvine, e colegas ganharam a aprovação do CERN para a Forward Search Experiment (FASER), um pequeno rastreador a ser colocado em um túnel de serviço a 480 metros abaixo da linha de feixe do ATLAS. Apoiado por 2 milhões de dólares de fundações privadas e construído de peças emprestadas, FASER irá procurar partículas de baixa massa, tais como fótons escuros, que poderiam vomitar a partir do ATLAS, passar pela rocha interveniente, e decair em pares elétron-positrons.
Outra proposta pede uma câmara de rastreamento em um salão vazio ao lado do LHCb, um detector menor alimentado pelo LHC. O Detector Compacto para Exóticos no LHCb procuraria partículas de longa duração, especialmente as nascidas em Higgs decadentes, diz Vladimir Gligorov, um membro do LHCb do Laboratório de Física Nuclear e Alta Energia em Paris.
Even mais ambicioso seria um detector chamado MATHUSLA, essencialmente um edifício grande e vazio na superfície acima do detector CMS subterrâneo. Câmaras de rastreamento no teto detectariam jatos pulverizados a partir da decomposição de partículas de longa duração criadas 70 metros abaixo, diz David Curtin, um teórico da Universidade de Toronto, no Canadá, e co-líder do projeto. Curtin é “otimista” MATHUSLA custaria menos de 100 milhões de euros. “Dado que tem sensibilidade para esta vasta gama de assinaturas – e que não vimos mais nada – eu diria que é um não-cérebro”
Os físicos têm o dever de procurar as partículas estranhas, diz Beacham. “O cenário de pesadelo é que em 20 anos, Jill Theorist diz, ‘A razão pela qual você não viu nada é que você não guardou os eventos certos e fez a busca certa'””
*Correção, 23 de Maio, 12:25 p.m.: A história foi atualizada para corrigir as taxas como o LHC colide com os cachos de prótons e os detectores registram eventos, e para refletir a afiliação adequada de James Beacham.