Painel influente de física de partículas dos EUA pede desenvolvimento de colisor de múons

Painel influente de física de partículas dos EUA pede desenvolvimento de colisor de múons

Carimbo de data / hora: 24 de janeiro de 2024 10h01
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O painel “P5” de físicos de partículas dos EUA afirma que o trabalho no desenvolvimento de um futuro colisor de múons poderia permitir aos EUA recuperar a “fronteira energética”, como Michael Allen revela

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O túnel do LHC no CERN
Um para o futuro Uma instalação de múons poderia ser potencialmente muito mais compacta do que um colisor de prótons e talvez mais barata de construir. (Cortesia: CERN)

Os EUA deveriam explorar a construção de um colisor de múons e prosseguir investigação e desenvolvimento “agressivos” nas tecnologias necessárias para tal instalação. Essa é a conclusão de um comitê de alto nível de físicos de partículas dos EUA e internacionais após um ano de reuniões para discutir o futuro da pesquisa em física de altas energias nos EUA. Os cientistas reconhecem, no entanto, que seria necessário superar desafios técnicos significativos para construir um colisor de múons.

O desenvolvimento potencial de uma instalação de múons faz parte de uma visão de longo prazo de 20 anos para a física de partículas que foi lançada no início de dezembro pelo Painel de Priorização do Projeto de Física de Partículas, ou P5 (ver caixa abaixo). Desde 2003, o P5 tem se reunido a cada década para avaliar projetos de pesquisa em física de grande e médio porte. Em seguida, transmite as suas recomendações a agências de financiamento como o Departamento de Energia dos EUA (DOE) e a National Science Foundation.

Após a descoberta do bóson de Higgs em 2012 no CERN Large Hadron Collider, os físicos de partículas começaram a planejar a construção da chamada fábrica de Higgs, que colidiria elétrons com pósitrons para permitir uma investigação mais detalhada das propriedades do bóson de Higgs e de outras partículas. Alguns desses desenhos exigem um túnel de 90 km de comprimento que colidiria pela primeira vez elétrons com pósitrons em meados da década de 2040, antes de ser reaproveitado no final deste século como uma máquina próton-próton de 100 TeV para pesquisar uma nova física.

No entanto, mover-se para estas energias – e potencialmente ainda mais elevadas – é complicado. Em energias próximas de 1 TeV em um acelerador circular, os elétrons perdem muita energia através da radiação síncrotron. Isto não é um grande problema para os protões, mas atingir energias superiores a 100 TeV requer um anel ainda maior do que 90 km e provavelmente também necessitaria de novas tecnologias. Uma opção alternativa é colidir múons – primos dos elétrons que são 200 vezes mais pesados. Dado que os múons são muito mais pesados ​​que os elétrons, a perda de energia seria um problema menor em um colisor de múons.

Daniel Schulte, líder de estudo do Colaboração Internacional do Colisor de Múons, que não fazia parte do comitê P5, diz que a radiação síncrotron é “reduzida por um fator de mais de um bilhão” em um colisor de múons. “[Muons] são interessantes porque poderiam substituir [elétrons e pósitrons] diretamente e ter um colisor de múons de 10 TeV é aproximadamente equivalente a ter um colisor de prótons de 100 TeV em termos de alcance físico”, diz Schulte, cuja colaboração consiste em mais de 60 institutos. , incluindo o CERN, que estão a elaborar um plano para uma instalação avançada de múons. Qualquer futura instalação de múons poderia ser potencialmente muito mais compacta e talvez mais barata de construir – um colisor de múons com o mesmo alcance de um colisor de prótons de 100 TeV caberia nas instalações existentes do Fermilab, por exemplo.

Referindo-se a ele como “nosso disparo de múons”, o comitê P5 afirma que um programa acelerador de múons se enquadraria na ambição dos EUA de hospedar uma grande instalação de colisor internacional, permitindo-lhe liderar esforços globais para compreender a natureza fundamental do universo. O painel P5 recomenda agora que os EUA construam grandes instalações de teste e demonstração para um colisor tão avançado na próxima década. O relatório também recomenda que os EUA participem na Colaboração Internacional do Colisor de Múons e “assumam um papel de liderança na definição de um projeto de referência”.

Karsten Heeger, físico da Universidade de Yale que co-preside o P5, disse Mundo da física que a recomendação do colisor de múons veio do desejo de pensar sobre o futuro a longo prazo da física de partículas nos EUA, além da atual safra de projetos planejados e em desenvolvimento. De acordo com Heeger, esta recomendação de investigação e desenvolvimento gerou “muito entusiasmo” na comunidade de física de partículas dos EUA, especialmente entre os cientistas mais jovens. “Eles acham que ser capaz de realizar pesquisa e desenvolvimento para pensar em uma futura instalação de colisor é realmente emocionante, especialmente se pudermos hospedá-la nos EUA”, acrescenta.

Desafios futuros

Um colisor de múons, no entanto, enfrenta grandes desafios técnicos e levaria décadas até que qualquer decisão para construí-lo pudesse ser tomada. Um problema com os múons é que eles decaem em apenas 2.2 microssegundos, durante os quais precisariam ser capturados, resfriados e acelerados. “Isso está realmente ampliando as fronteiras técnicas em todos os elementos”, diz Heeger. “O desenvolvimento do ímã, a tecnologia de aceleração, o foco do feixe; todas essas coisas serão extremamente importantes e precisam ser melhoradas em relação à situação atual”, acrescenta.

Schulte concorda que se não fosse pelo tempo de vida limitado do múon, um colisor de múons seria “direto”. Ele diz que um dos maiores desafios será desenvolver a tecnologia magnética necessária. Por exemplo, uma vez que os múons tenham sido produzidos por colisões de prótons, serão necessários ímãs supercondutores de alta temperatura para resfriá-los e desacelerá-los. E esta tecnologia terá de ser comprimida num espaço minúsculo para reduzir a perda de múons. Ímãs de alta velocidade que podem ser alternados muito rapidamente serão necessários para acelerar o feixe de múons.

O problema é que grande parte desta tecnologia ainda não existe ou está na sua infância. Apesar destes desafios, Heeger está confiante de que um colisor de múons poderia ser construído: “Os físicos de partículas e os físicos de aceleradores demonstraram uma engenhosidade incrível nos últimos anos e décadas, e por isso estou otimista”, diz ele. Mas mesmo que tal instalação não seja viável, trabalhar nesse sentido tiraria partido dos actuais pontos fortes dos EUA em física de partículas e contribuiria para melhorias nas instalações de feixes de protões e neutrinos. Provavelmente também traria amplos benefícios para a sociedade, incluindo a produção de isótopos médicos, ciência dos materiais e física nuclear, por isso Heeger acredita que seria um “investimento bem gasto”.

O desenvolvimento de ímãs supercondutores de alta temperatura, por exemplo, teria implicações importantes além da física de partículas. Eles poderiam ser úteis para reatores de fusão nuclear e melhorar o desempenho das turbinas eólicas. Schulte também acredita que trabalhar em direção a um colisor de múons oferecerá benefícios substanciais no que diz respeito ao treinamento da próxima geração de cientistas. “Este é um grande projeto porque as coisas são novas, há espaço para invenções, para criatividade, o espírito é muito diferente de um projeto que é refazer algo que fizemos no passado de uma forma maior”, acrescenta.

Traçando o curso futuro da física de partículas nos EUA

O relatório do P5 – Caminhos para inovação e descoberta em física de partículas – baseia-se nos resultados de uma conferência de Snowmass, que reuniu físicos de partículas e cosmólogos de todo o mundo em Seattle durante 10 dias em julho de 2022 para discutir prioridades de investigação e experiências futuras. O relatório P5 pretende criar um portfólio de investigação que estude quase todos os constituintes fundamentais do universo e as suas interações, abrangendo tanto o passado como o futuro cósmico.

Em termos de projetos existentes, a principal prioridade do comité P5 é a conclusão da atualização de alta luminosidade do Grande Colisor de Hádrons do CERN, bem como a primeira fase do Experiência Deep Underground Neutrino (DUNE) em Lead, Dakota do Sul, que estudará um feixe de neutrinos de alta energia produzido no Fermilab enquanto viajam 1280 km pela Terra. O DUNE deverá começar a operar por volta de 2030. Outras prioridades recomendadas incluem o Plano de Melhoria de Prótons II do Fermilab e o Observatório Vera Rubin no Chile, que espera a primeira luz em 2025 e realizará um levantamento de 10 anos do céu meridional.

Outras recomendações incluem a CMB-S4 experimento - uma série de telescópios terrestres, localizados no Pólo Sul e no deserto chileno do Atacama, que observariam a radiação cósmica de fundo em micro-ondas para sondar os processos físicos no universo imediatamente após o Big Bang. O P5 também recomenda que os EUA colaborem com parceiros internacionais numa fábrica de Higgs; um experimento de detecção direta de matéria escura de próxima geração; e o observatório IceCube-Gen2, que proporcionará uma melhoria de 10 vezes na sensibilidade aos neutrinos cósmicos em relação ao atual observatório IceCube no Pólo Sul.

“Tentamos encontrar um equilíbrio entre a execução do programa atual, o início de novos projetos e o lançamento das bases em termos de I&D para o futuro”, afirma o copresidente do P5, Karsten Heeger. Ele acrescenta que era importante considerar o que vem depois de projetos como a fábrica de Higgs e a conclusão do DUNE para a física de partículas, bem como para a próxima geração de cientistas nos EUA. “Se neste momento nos concentrarmos totalmente apenas na execução dos projectos que estão em curso, poderemos encontrar-nos dentro de 10-15 anos sem ter lançado as bases para o que vem depois”, diz ele.

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