Físicos no CERN revelaram um plano para um enorme esmagador de partículas de 100 km de circunferência que seria usado para estudar o bóson Higgs em detalhes sem precedentes, bem como para a busca de nova física. Hoje, o relatório do projeto conceitual foi lançado para o Future Circular Collider (FCC) – um colisor de partículas subterrâneo que estaria ligado ao Large Hadron Collider (LHC) existente perto de Genebra.
Desde que o LHC foi ligado pela primeira vez em 2008, o colisor de partículas de 27 km de circunferência tem esmagado prótons com energias de até 13 TeV na caça a novas partículas. Em 2012, os físicos anunciaram ter descoberto o bosão Higgs com uma massa de 125 GeV. O resultado foi François Englert e Peter Higgs receberem o Prémio Nobel da Física de 2013 pelo trabalho de previsão teórica da partícula. Entretanto, desde então não foram encontradas partículas além do Modelo Padrão, como parceiros superssimétricos.
Embora o LHC ainda funcione por mais algumas décadas antes de ser finalmente desligado, há mais de três décadas os físicos vêm realizando R&D em colisões lineares que poderiam um dia ser o sucessor do LHC. Um dos principais esforços de projeto é o Colisor Linear Internacional (ILC), que aceleraria elétrons e pósitrons usando cavidades supercondutoras. Como elétrons e positrons são partículas fundamentais, suas colisões são mais limpas do que a colisão proton-proton no LHC, por isso são ideais para estudar partículas em grande detalhe.
Japão é o único país que mostrou interesse em hospedar o ILC, mas o governo japonês arrastou seus pés para decidir se hospedaria a máquina. Isto forçou os físicos a reduzirem recentemente o seu design para o ILC de 500 GeV para 250 GeV, esperando-se que o governo japonês dê uma decisão final para hospedar o ILC em março.
Yet particle physicists ainda vê vantagens em manter os grandes coliders circulares, até porque eles têm muita experiência em construí-los. De 1989 a 2000, por exemplo, o CERN operou o Large Electron-Positron Collider (LEP), que estava no mesmo túnel que agora abriga o LHC e realizou medições precisas dos bósons Z e W. E dada a massa relativamente baixa do Higgs, um colisor circular seria capaz de produzir maior luminosidade sem sofrer grandes perdas de radiação sincrotrônica, o que afetaria um colisor operando com energias mais elevadas de 500 GeV.
Estudos de precisão
O projeto FCC foi iniciado em 2013 pela comunidade européia de física de partículas com uma reunião realizada no ano seguinte em Genebra para começar a trabalhar no relatório. O novo relatório conceptual de quatro volumes analisa a viabilidade da construção de um colisor circular de 100 km e examina a física que uma máquina com esse potencial poderia realizar. Primeiro, pede a construção de um túnel subterrâneo de 100 km que abrigaria um colisor de elétron-positrons (FCC-ee). Essa máquina consistiria em 80 km de ímãs de flexão para acelerar o feixe, bem como ímãs quadripolares que focalizariam o feixe antes de colidi-lo em dois pontos no anel.
O relatório do projeto conceitual da FCC é uma realização notável. Ele mostra o tremendo potencial da FCC para melhorar nosso conhecimento da física fundamental e para avançar muitas tecnologias com amplo impacto na sociedade
Fabiola Gianotti
O FCC-ee – estimado em cerca de $9bn dos quais $5bn seriam usados para construir o túnel – operaria com quatro energias ao longo de um período de 15 anos. O colisor começaria em 91 GeV, produzindo cerca de 1013 bosons Z durante quatro anos antes de operar em 160 GeV para produzir 108 W+ e W- partículas por um período de dois anos. Embora as partículas W e Z já tenham sido medidas pelo colisor LEP, estima-se que a máquina FCC-ee melhoraria essas medições em uma ordem de grandeza.
Até então funcionando a 240 GeV durante três anos, a FCC-ee se concentraria na criação de um milhão de partículas Higgs. Isto permitiria aos físicos estudar as propriedades do bóson Higgs com uma precisão e uma ordem de magnitude melhor do que a que é possível hoje com o LHC. Finalmente, o colisor seria então desligado por um ano para prepará-lo para funcionar a cerca de 360 GeV para produzir um milhão de pares top e anti-top ao longo de cinco anos. Medidas mais precisas de tais partículas poderiam indicar desvios das previsões do Modelo Padrão que poderiam apontar para uma nova física.
Após o programa de física para o FCC-ee estar completo, o mesmo túnel poderia então ser usado para abrigar um colisor de prótons (FCC-hh) muito da mesma forma que o LEP abriu caminho para o LHC. “A FCC poderia ser uma resposta de ação da LEP e do LHC” diz o teórico John Ellis do Kings College London. “Um colisor de prótons ofereceria a melhor chance de descobrir novas partículas”.
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A FCC-hh usaria o LHC e seus aceleradores pré-injetores para alimentar o colisor que poderia atingir uma energia superior de 100 TeV – sete vezes maior do que o LHC. No entanto, para produzir tais energias de colisão seria necessário o desenvolvimento de novos ímãs que operam em campos magnéticos mais altos para dirigir o feixe em torno do colisor. O LHC funciona actualmente com 8 T ímanes supercondutores feitos de ligas de nióbio-titânio (NbTi). Os ímãs supercondutores são utilizados porque permitem o fluxo de altas correntes sem dissipar a energia devido à resistência elétrica. O FCC-hh, no entanto, com 50 feixes GeV, exigiria, em vez disso, 16 T de ímãs feitos de nióbio-titânio (Nb3Sn) supercondutor.
Correntemente o LHC está sendo submetido a um desligamento de dois anos para melhorar sua luminosidade – uma medida da taxa de colisões de partículas – por um fator de 10. Ditado o LHC de alta luminosidade (HL-LHC), pretende-se testar este material utilizando 11 T Nb3Sn ímanes supercondutores de dipolo. Contudo, é necessário realizar mais R&D antes de poderem ser usados a 16 T. Dada a necessidade de R&D, bem como os elevados custos de construção dos ímanes, o custo estimado do FCC-hh seria de cerca de 15 mil milhões de dólares, comparado com cerca de 13 mil milhões de dólares para o custo total do LHC.
Para executar este esforço como uma colaboração global é verdadeiramente importante. Isto abre a possibilidade de contribuições substanciais em espécie
Michael Benedikt
A FCC-hh teria uma luminosidade total integrada de cerca de 15-20 ab-1 – um fator de 5-10 mais do que o produzido no HL-LHC – e correspondente a 1010 bosons Higgs sendo produzidos. Também seria utilizado para procurar novas partículas em massas superiores às possíveis no LHC, bem como para descobrir ou descartar a existência de partículas de matéria escura térmica conhecidas como WIMPs. Tal como no LHC, o FCC-hh também poderia ser usado como um colisor de íons pesados, esmagando juntos íons de chumbo a 39 TeV para estudar efeitos como um plasma de quark-gluon. Estima-se que o colisor estaria operacional por pelo menos 25 anos para “fornecer uma ferramenta de pesquisa até o final do século 21”.
“O relatório de projeto conceitual da FCC é uma realização notável. Ele mostra o tremendo potencial da FCC para melhorar nosso conhecimento da física fundamental e para avançar muitas tecnologias com amplo impacto na sociedade”, diz o diretor-geral do CERN, Fabiola Gianotti. “Ao mesmo tempo em que apresenta novos e assustadores desafios, a FCC se beneficiaria muito da experiência, do complexo de aceleradores e das infra-estruturas do CERN, que foram desenvolvidas ao longo de mais de meio século”
Mostrar-me o dinheiro
Dados os enormes custos de construção da FCC, ela precisaria de um amplo apoio da comunidade e, por isso, os funcionários do CERN têm estado ocupados com a construção de uma colaboração nos últimos anos, que agora consiste em 135 instituições em 34 países. “Gerir este esforço como uma colaboração global é verdadeiramente importante”, diz o físico Michael Benedikt, do CERN, que lidera o projeto FCC. “Isso abre a possibilidade de contribuições substanciais em espécie de partes que são especialistas na construção de partes de uma máquina desse tipo”
Se os físicos obtiverem apoio financeiro para construir a FCC, há a questão de quando começar a construir a máquina. Uma opção é começar dobrando a energia do LHC para cerca de 30 TeV com uma atualização de alta energia (HE-LHC). No entanto, Benedikt acha que pode ser possível contornar o HE-LHC e ir diretamente para a FCC. Neste caso, o programa HL-LHC funcionaria em paralelo com a construção do túnel do FCC antes de parar por volta de 2037. A FCC-ee iniciaria então a operação por volta de 2040.
Construindo o próximo colisor
Yet CERN não é o único a desenvolver novos desenhos de colisão circular. Em novembro, os físicos na China revelaram o projeto conceitual de seu próprio túnel de 100 km, que abrigaria primeiro uma máquina de elétron-positrons antes de hospedar um colisor de prótons operando a 100 TeV. Embora a construção do colisor chinês pudesse começar antes da FCC, Benedikt diz que há muitas semelhanças entre os dois projetos. “Isso é uma coisa boa”, acrescenta Benedikt. “O esforço considerável da China confirma que esta é uma opção válida e que há um grande interesse em tal máquina”
Análise: Vamos dar a volta novamente?
É uma pergunta bastante simples, mas a resposta está se mostrando bastante complicada: um colisor circular ou linear é o melhor caminho para realizar medições precisas no bóson Higgs?
Embora o Large Hadron Collider (LHC) do CERN tenha produzido uma quantidade abundante de bósons Higgs desde que a partícula foi descoberta em 2012, as colisões próton-proton não são a melhor maneira de estudar as propriedades precisas de uma partícula. Isto porque os prótons não são partículas elementares e assim suas colisões produzem detritos que afetam a precisão das medidas.
Não é o caso, no entanto, quando se esmagam elétrons com pósitrons e é por isso que os físicos de partículas querem construir tal máquina para estudar o bóson Higgs e tentar detectar quaisquer pequenos desvios que possam dar dicas de física além do Modelo Padrão.
Durante anos, os físicos têm projetado colididores lineares que operariam na escala TeV. Um desses projetos líderes é o Collier Linear Internacional (ILC), que o Japão tem mostrado interesse em hospedar, embora em uma encarnação mais barata rodando a 250 GeV.
Devido à necessidade de superar perdas de energia da radiação sincrotrônica à medida que os elétrons são acelerados ao redor do anel, os coliders lineares oferecem uma luminosidade maior – uma medida da taxa de colisões de partículas – em comparação com seus equivalentes circulares para energias de colisão acima de 400 GeV. No entanto, em energias abaixo deste limiar, os colisores circulares têm melhor luminosidade do que os colisores lineares – e também podem hospedar vários detectores ao redor do anel.
Se a massa do bóson Higgs estivesse em torno de 500 GeV ou mais, a maioria concordaria que um colisor linear oferece o melhor caminho a seguir. Mas com a massa de Higgs sendo 125 GeV, uma bola curva de luminosidade bastante grande foi atirada para os procedimentos. Isto tem colocado os colisores circulares firmemente de volta na prancheta de desenho e nos últimos cinco anos os físicos têm desenhado possíveis alternativas. Isto resultou em duas propostas recentes – a Future Circular Collider (ver texto principal) e a Circular Electron Positron Collider da China, cujo desenho foi lançado em Novembro passado.
Embora os desenhos circulares devam suportar o custo da construção de um enorme túnel subterrâneo, eles mais do que compensam em termos de versatilidade e o facto de os físicos terem décadas de experiência na sua construção. Por exemplo, o mesmo túnel de 100 km também poderia ser usado para uma máquina de prótons operando a 100 TeV que seria usada para caçar novas partículas.
A tecnologia para um ILC e um colisor de elétron-positrons de 100 km está pronta, mas dado o preço de irrigação dos olhos para ambos, todos os projetos precisariam de uma grande quantidade de colaboração internacional. Na verdade, é amplamente entendido que o Japão só se ofereceria para financiar metade do custo do ILC de 7,5 bilhões de dólares.
Se apenas uma máquina for construída, como parece provável, a questão é qual delas? As linhas de batalha foram traçadas.