Físicos de partículas sonham com um colisor de múons

Aug 21, 2023

Depois de anos definhando na obscuridade, propostas para um colisor de múons estão recuperando força entre os físicos de partículas

Os físicos de partículas são improváveis ​​evangelistas, mas em jornais, em conferências e com camisetas, adesivos e memes, muitos deles estão espalhando a boa palavra de um colisor de múons – uma máquina da próxima geração que esmagaria os múons, os primos massivos do elétrons. Num manifesto de 2021, “The Muon Smasher's Guide”, os partidários das partículas expuseram o seu caso. “Construímos aceleradores não para confirmar o que já sabemos, mas para explorar o que não sabemos”, escreveram. “Os múons estão chamando e devemos ir.”

Para os proponentes, a vantagem de um colisor de múons é seu potencial para combinar os pontos fortes de dois tipos existentes de colisores. Essas máquinas massivas geralmente colidem prótons ou elétrons em anéis subterrâneos. Ao registrar as consequências desses choques, os físicos podem reunir informações sobre a configuração do terreno subatômico. Cada método tem seus prós e contras. Prótons pesados ​​– cada um dos quais é na verdade um feixe repleto de partículas menores e mais fundamentais – criam colisões confusas, obstruídas por detritos e de alta energia. Os elétrons leves colidem de forma limpa, mas com energias mais baixas.

A principal instalação atual, o Grande Colisor de Hádrons (LHC), destrói prótons para sondar os limites do Modelo Padrão, a teoria que serve como um mapa do território mais fundamental do universo. Como mapa, o Modelo Padrão foi extremamente bem-sucedido. Ele descreve com precisão a paisagem conhecida das partículas elementares e das forças que as conectam – tão bem que qualquer desvio da teoria atrai manchetes. Mas, como todos os mapas, o Modelo Padrão tem fronteiras: não inclui a gravidade e atualmente carece de respostas para mistérios como a identidade da matéria escura.

Os físicos nunca colidiram múons com sucesso, principalmente porque as partículas vivem apenas 2,2 microssegundos antes de decaírem. Se os múons pudessem ser combatidos, eles criariam colisões limpas e de alta energia – ideais para explorar além das fronteiras do Modelo Padrão. Nos múons, “a natureza nos deu um presente; devemos tirar vantagem disso”, argumenta Patrick Meade, teórico da Stony Brook University.

O destino de qualquer futuro colisor está nas mãos do Painel de Priorização de Projetos de Física de Partículas (P5), um comitê de alto poder que se reúne a cada década para definir agendas de pesquisa e recomendar financiamento para projetos importantes. O relatório P5 está previsto para ser lançado neste outono, e muitos físicos esperam que inclua um forte impulso para um colisor de múons.

Não há garantias de que qualquer colisor futuro encontre novas partículas, mas os defensores estão entusiasmados com o potencial de descoberta que os múons possuem. Um futuro com um colisor de múons real e ativo permanece distante. Mesmo no cronograma mais rápido e otimista, um colisor de múons demoraria pelo menos duas décadas para funcionar. Mas os físicos já estão sonhando com onde poderão explorar com múons. “Temos a oportunidade de fazer algo sem precedentes”, diz Cari Cesarotti, teórica do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. “Os obstáculos que existiam há 10 anos estão se dissolvendo. Agora é a hora! Então, para mim, é tipo, por que você não gostaria de fazer isso?

O problema com os múons é que eles morrem. Durante a sua curta vida, eles precisam ser resfriados, focados e acelerados quase à velocidade da luz. A abordagem mais viável começa com a passagem dos múons por um meio como o hidrogênio líquido, que esgota sua energia. Então, ímãs poderosos podem focar os múons e acelerá-los em um loop onde eles colidem antes de decaírem. Variações deste plano existem há décadas – um projeto foi apelidado de “o Guggenheim” devido à sua semelhança com o corredor em espiral do museu.

Curioso sobre a viabilidade de tudo isto, em 2011 o Departamento de Energia fundou o Programa Acelerador de Múons (MAP), um pequeno esforço de pesquisa e desenvolvimento que investiga a viabilidade da colisão de múons. Uma equipe de físicos de aceleradores começou a trabalhar na criação de modelos computacionais de colisores para ver quais projetos poderiam funcionar melhor. Mas assim que o esforço começou, duas descobertas aparentemente significaram o fim de qualquer colisor de múons.