Porquê o LHC?

Porque construímos o Large Hádron Collider (LHC)? A palavra-chave é “Higgs”, a última peça ainda não descoberta na teoria da natureza da matéria.

A busca pela partícula de Higgs será um dos razões, outras são, por exemplo, porque é que a gravidade é muito mais fraca que as outras forças da Natureza; desvendar a composição da matéria escura desconhecida que permeia o Universo.

Matéria

A matéria abrange duas categorias de partículas, os quarks e os léptões, juntamente com as forças electromagnética, interacção forte e a interacção fraca (a gravidade fica de parte).

Os quarks formam os protões e neutrões e estão sujeitos às forças fundamentais. Enquanto os léptões, que formam os electrões, estão imunes à força forte.

A Força forte mantém o núcleo atómico coeso.

O princípio chave do Modelo Padrão é que as suas equações são simétricas. Esta simetria confere restrições ao modelo, criando forças que são transportadas por partículas chamadas bosões

A força forte é transportada por oito partículas, os gluões. Enquanto o electromagnetismo e a força nuclear fraca, que são forças electrofracas, baseiam-se numa simetria diferente. São transportadas por quatro partículas: fotão, bózão Z, bózão W⁺ e bozão W^-

Forças

A teoria das forças electrofracas foi formulada em 1979 por Sheldon Glashow, Steven Weinberg e Abdus Salam. Esta teoria apresentava dois pontos fracos:

1- Previu quatro partículas com forças de longo alcance, os bósões de gauge. Na natureza só existe uma, que é o fotão.

2- A simetria da família não permite massa para os quarks e léptões, contudo têm massa.

Os físicos costumam dizer que a simetria foi “quebrada” porque a simetria das leis da Natureza não necessita de estar implícita no resultado das leis.

Embora as leis do electromagnetismo sejam simétricas, o comportamento do electromagnetismo no interior de um material supercondutor não é simétrico. Um fotão ganha massa dentro de um supercondutor, limitando a inclusão de campos magnéticos.

Se o espaço for preenchido por um tipo de supercondutor que afecte mais a interacção fraca do que o electromagnetismo, atribuirá massa para os bósões W e Z e limitará o alcance das interacções fracas. O supercondutor em causa será formado por bósões de Higgs. Os quarks também adquirem massa pela interacção com o bósão de Higgs.

A teoria electrofraca moderna aplica-se com precisão aos resultados experimentais.

Matéria Escura

Se a Natureza fosse perfeitamente supersimétrica, as massas das partículas e das suas supercompanheiras seriam idênticas fazendo com que os seus efeitos sobre o campo de Higgs se cancelassem perfeitamente. Se fosse este o caso, as supercompanheiras das partículas já teriam sido detectadas.

As supercompanheiras são as partículas de antimatéria que se suspeita que façam parte integrante da matéria escura. Haverá uma certa discrepância entre a quantidade de matéria e de antimatéria, para que não tenha havido uma aniquilação de toda a matéria com a sua supercompanheira.

O que tende a elevar a massa do campo de Higgs é a sua interacção com as partículas virtuais – cópias de quarks, leptões e outras partículas que temporariamente se materializam em torno do campo de Higgs. Se cada espécie de partícula formar um par com uma supercompanheira, as duas se compensarão mutuamente, mantendo baixa a massa do campo e Higgs.

Isto quer dizer que, se a supersimetria existir, deverá ser uma simetria quebrada.´

Uma segunda opção admite que o bosão de Higgs não é realmente uma partícula mas será constituída por um conjunto de partículas mais elementares. Se o Higgs não for uma partícula elementar, as colisões em energias altas permitiriam descobrir do que ele é feito.

Neste caso, a massa do Higgs decorreria principalmente da energia dos seus constituintes.

A terceira ideia aplica as dimensões extra. Elas podem modificar a forma como a intensidade das forças varia com a energia para finalmente se fundirem numa só. Aí a fusão pode pode ocorrer a energias mais baixas que 10¹² TeV.

Metas para o LHC

Determinar o que quebra a simetria electrofraca

O colisor deverá procurar o bósão de Higgs e determinar as suas propriedades.

Procurar novas forças da Natureza

Novas partículas de força poderiam decair em partículas conhecidas como electrões e as suas contrapartidas de antimatéria, os positrões. Essas forças indicariam novas simetrias da Natureza e poderiam orientar os físicos na busca da unificação de todas as interacções.

Produzir candidatos à Matéria Escura

Através da observação de partículas neutras e estáveis criadas em colisões de altas energias, o colisor poderá ajudar a solucionar um dos maiores desafios da astronomia e fornecer aos pesquisadores uma nova percepção sobre a história do Universo.

Fontes: Scientific American

Público 10/09/2008 Aqui e Aqui

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