Físicos de partículas oferecem roteiro para a próxima década

Sexta-feira, 8 de dezembro: Esta história foi atualizada para incluir pesquisas desde que foi publicada originalmente.

Cientistas aprovam um Mapa Física de partículas para as próximas duas décadas na América na sexta-feira. O objetivo é restaurar a preeminência americana na física de partículas de alta energia.

A nova estratégia deverá começar a lançar as bases para um acelerador de partículas revolucionário que os físicos possam construir em solo americano. A máquina colide com múons minúsculos e pontiagudos, que se assemelham a elétrons, mas são muito maiores. Os múons oferecem mais retorno financeiro do que os prótons usados ​​no Grande Colisor de Hádrons do CERN, e levarão a busca por novas forças e partículas mais profundamente no desconhecido do que nunca.

A localização de tal projeto, talvez Laboratório Nacional do Acelerador Fermi Em Illinois, a física de partículas dos EUA será restaurada à primazia concedida à Europa em 1993, quando o Congresso cancelou a gigantesca supercolisão supercondutora. Mas levará pelo menos 10 anos Para provar que a colisão de múons poderia funcionar e quanto custaria.

O grupo, encarregado de delinear uma visão para a próxima década da física de partículas americana, disse em um relatório intitulado “Explorando o Universo Quântico: Caminhos para Inovação e Descoberta em Física de Partículas”. Foi apresentado e discutido em A Reunião Em Washington, D.C., na quinta e sexta-feira, mais serão discutidos no Fermilab Semana que vem.

O relatório também destacou a necessidade de investir na próxima geração de experimentos que investiguem a natureza das partículas subatômicas chamadas neutrinos; Fundo Cósmico de Microondas, radiação relíquia do Big Bang; E a matéria escura, a cola gravitacional que mantém as galáxias unidas. A equipa também recomendou a participação em futuras instalações na Europa ou no Japão dedicadas ao estudo do bóson de Higgs, que é fundamental para compreender como outras partículas descobertas em 2012 obtêm a sua massa.

“Durante 14 mil milhões de anos-luz, o tamanho do Universo que vemos agora era, na verdade, menor que o tamanho de um embrião”, disse Hitoshi Murayama, físico da Universidade da Califórnia, Berkeley, no início da era cósmica. “Portanto, nosso campo não está realmente procurando elementos fundamentais, mas sim obtendo uma visão mais ampla de como o universo funciona.”

O grupo, formalmente conhecido como Grupo Prioritário do Programa de Física de Partículas, ou P5, foi encarregado pelo Departamento de Energia dos EUA e pela National Science Foundation de definir um roteiro para o futuro do campo. O processo de três anos começou com a solicitação de contribuições da comunidade de física de partículas, e o relatório final servirá como uma recomendação sobre o que as agências nacionais devem priorizar na próxima década.

Hitoshi Murayama, físico da Universidade da Califórnia, Berkeley e líder do grupo, em 2018.dívida…Keiko Hiromi/AFLO via Alamy Live News

A última afirmação P5, “Construindo para a Inovação: Um Plano Estratégico para a Física de Partículas dos EUA em um Contexto Global, a descoberta do bóson de Higgs foi publicada em 2014. É uma grande vitória para o Modelo Padrão, o conjunto de equações quânticas que explica tudo o que os cientistas sabem e testam em laboratório sobre as forças e partículas da natureza e que rendeu aos seus criadores numerosos Prémios Nobel.

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Mas o Modelo Padrão não tem nada a dizer sobre a gravidade e os buracos negros, ou sobre a “energia escura” que impulsiona o universo. Não explica a matéria escura, as galáxias invisíveis. Nem, aliás, isso explica os Hicks.

Na última década, os físicos fizeram pouco progresso nessas frentes. Eles não conseguiram detectar a matéria escura, e algumas das suas hipóteses mais populares, particularmente um conceito chamado supersimetria, podem estar à beira de ser rejeitadas, pelo menos como explicação para a matéria escura.

O processo inclui o desenvolvimento de um relatório para a próxima década Estudo de verão em Seattle Snowmass Em 2022, os físicos submeteram centenas de artigos propondo empreendimentos futuros neste campo. Um resumo do estudo foi compilado livro de 700 páginas. “Eu caracterizaria isso como uma verdadeira democracia em ação”, disse o Dr. Murayama disse, referindo-se a isso como um processo “de baixo para cima”.

Sally Seidel, física da Universidade do Novo México e presidente do Grupo Consultivo de Física de Altas Energias do Departamento de Energia, descreveu o processo, que reuniu milhares de pesquisadores, como uma “notável demonstração de interesse”. “Não consigo me lembrar de um momento mais emocionante explorando a física de partículas”, escreveu ele por e-mail.

As recomendações do grupo P5 levaram em conta dois cenários orçamentais que lhes foram apresentados pelo Departamento de Energia dos EUA. Num caso “básico”, espera-se que o orçamento do departamento aumente 3% ao ano, basicamente acompanhando o ritmo da inflação. Nestas circunstâncias, a comissão insistiu na prossecução de projectos tão grandiosos Sistema telescópico no Chile e na Antártica Fundo cósmico de micro-ondas, realização de uma fábrica oceânica de Higgs e A Versão em escala do IceCubeUm observatório congelado no gelo do Pólo Sul que capta neutrinos de fontes exóticas no universo.

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Neste cenário orçamental, também haveria espaço para apoiar a visão de um colisor de partículas baseado nos EUA.

Os colisores de partículas, como a máquina do CERN, ganham destaque com a revelação de Einstein de que energia e massa são intercambiáveis. Quanto mais energia for liberada na colisão, mais partículas poderão ser criadas. Como os prótons são sacos caóticos de partículas minúsculas chamadas quarks e glúons, esmagá-los libera apenas uma fração da energia total do próton. Os múons, por outro lado, são rudimentares; Sem quaisquer órgãos internos (até onde os cientistas sabem), as suas colisões exercem resultados altamente energéticos.

Um colisor de múons é uma das três opções consideradas como sucessor do Large Hadron Collider do CERN, atualmente o maior colisor do mundo e que deverá dominar a física de partículas na próxima década. A China e o CERN construíram e testaram, cada um, um novo colisor com um raio de 60 milhas ou mais que alcançará uma energia de colisão de 100 biliões de electrões-volt, em comparação com os 14 biliões do Grande Colisor de Hádrons, abrindo perspectivas de energia e tempo.

Outra possibilidade, que em princípio poderia ser feita no topo de uma mesa em vez de quilômetros de túneis subterrâneos, é chamada de aceleração de campo de esteira, na qual a partícula é impulsionada como se estivesse surfando em ondas de gás altamente ionizado, o plasma.

Toyoko Orimoto, física da Northeastern University, achou as propostas ambiciosas e estimulantes. “Os próximos 10 anos serão um momento muito emocionante para a física de partículas”, disse ele.

O relatório também assume o pior cenário orçamental, com apenas um aumento anual de 2% no financiamento, o que equivale a um corte efectivo no apoio. Se assim for, disse o grupo, os EUA deveriam abandonar as esperanças de conduzir experimentos de próxima geração com matéria escura em um novo laboratório subterrâneo em Dakota do Sul. Construção atual de um já caro experimento de neutrinos subterrâneos profundosou DUNE, reduzindo ainda mais a liderança do país nessas áreas.

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“Os Estados Unidos têm de abrir mão da liderança em algumas áreas da física de partículas”, disse o físico Carsten Heeger, da Universidade de Yale, que é vice-presidente do P5. “Terá um impacto que será sentido dentro e fora do campo.”

Caso contrário, o relatório insta o governo federal a manter o rumo dos programas já comprometidos, incluindo o aumento da luminosidade ou da taxa de colisão do Grande Colisor de Hádrons para estudos mais aprofundados do Higgs e de outros eventos raros. Construção continuada Vera C. Observatório Rubin, um telescópio no Chile projetado para fazer filmes do universo em lapso de tempo; e uma edição limitada de DUNE.

“Eles fizeram o que tinham que fazer”, disse Lisa Randall, física de Harvard que não faz parte da equipe P5, criando uma visão otimista para o futuro e com orçamentos agora abundantes.

Michael Turner, cosmólogo aposentado da Universidade de Chicago, e Maria Spiropulu, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, que lideram um estudo relacionado da Academia Nacional de Ciências, chamaram-no de “um projeto ousado” em uma declaração conjunta enviada por e-mail.

Como estes projetos têm uma vida útil de várias décadas, o grupo enfatizou o apoio aos cientistas em início de carreira que eventualmente assumirão os projetos. “Eles são o futuro”, disse o Dr. Murayama disse.

Os próximos físicos estão entusiasmados com o endosso. “Alguém que ainda tem a melhor parte da sua vida pela frente, quero fazer parte de um campo como este”, diz Dova Holmes, física da Universidade do Tennessee que trabalha em colisões de múons. experimentar coisas novas, criar novas tecnologias e acreditar no seu próprio potencial.”

A equipe se concentrará em obter apoio para o projeto dentro e fora da comunidade física. Em particular, o Dr. Murayama esperava chamar a atenção dos funcionários que se comunicavam com os membros do Congresso sobre como votar o orçamento do departamento.

“A pesquisa básica é difícil de vender”, disse o Dr. Murayama disse. “Não é um benefício imediato para a sociedade.” Mas a recompensa vale a pena, acrescentou: a física das partículas levou a revoluções nas aplicações médicas, na ciência dos materiais e na criação dos iPhones e da World Wide Web.

Mas, segundo o Dr. Murayama, os benefícios vão além do impacto do campo na sociedade. “A física de partículas está realmente no cerne do que somos e de quem somos”, disse, acrescentando que todos nós, físicos ou não, “queremos compreender porque somos, de onde viemos e para onde vamos”. “

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