Física das PartículasCientistas inventam forma para tentar prender a misteriosa partícula do “mundo obscuro” no LHC

O bóson de Higgs pode ser um portal para o mundo das trevas.
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Agora que identificaram o bóson de Higgs, os cientistas do Grande Colisor de Hádrons voltaram seus olhos para um alvo ainda mais esquivo.

Basicamente, tudo à nossa volta é composto de matéria e energia escura, o material invisível que une as galáxias, mas que ninguém foi capaz de detectar diretamente. “Nós sabemos com certeza que existe um mundo obscuro, e há mais energia nele do que no nosso mundo”, disse LianTao Wang, professor de física da Universidade de Chicago, que estuda como encontrar sinais em grandes aceleradores de partículas como o LHC.

Wang, junto com cientistas da Universidade e do Fermi National Accelerator Laboratory, afiliado à UChicago, acham que eles poderiam alcançar os rastros desse mundo. Em um artigo publicado em 03 de abril na Physical Review Letters, eles apresentaram um método inovador para perseguir a matéria escura no LHC, explorando a velocidade de uma partícula em potencial um pouco mais lenta.

Enquanto o mundo obscuro representa mais de 95% do universo, os cientistas só sabem que existe a partir de seus efeitos. Eles seriam como um poltergeist que você só consegue ver quando esse mundo existe ao “empurrar algo de uma prateleira”. ”Por exemplo, sabemos que há matéria escura porque podemos ver a gravidade atuando nela, ela ajuda a impedir que nossas galáxias acabem saindo voando por ai”.

Os teóricos acham que existe um tipo particular de partícula escura que só ocasionalmente interage com a matéria normal. Seria mais pesada e duradoura do que outras partículas conhecidas, com uma vida útil de até 1/10 de segundo. Raramente algumas chegam a durar uma década, acreditam os pesquisadores, essas partículas poderiam ficar presas nas colisões de prótons que o LHC está constantemente colidindo e medindo.

“Uma possibilidade particularmente interessante é que essas partículas escuras de vida longa são acopladas ao bóson de Higgs de alguma forma e que o Higgs é na verdade um portal para o mundo escuro”, disse Wang, referindo-se à última partícula da grande teoria dos físicos de como o universo funciona, descoberto no LHC em 2012. “É possível que o Higgs possa realmente decair nessas partículas de vida longa.”

O único problema é distinguir esses eventos; há mais de um bilhão de colisões por segundo no LHC, que possui nada menos de 27 quilômetros, e cada uma delas envia chuva torrencial de outras partículas subatômicas em todas as direções.

“Uma possibilidade particularmente interessante é que o Higgs seja, na verdade, um portal para o mundo das trevas.”

Wang, e o colega de pós-doutorado da UChicago, Jia Liu, e o cientista do Fermilab, Zhen Liu (agora na Universidade de Maryland), propuseram uma nova maneira de explorar um aspecto particular de uma partícula tão esquiva. “Se ela é tão pesada, custa energia para produzir, então seu ímpeto não seria grande, isso por que ela se moveria mais lentamente que a velocidade da luz”, disse Liu, principal autor do artigo.

Esse atraso de tempo a diferenciaria de todo o restante das partículas. Os cientistas precisariam apenas ajustar o sistema para procurar por partículas produzidas, que irão decair um pouco mais lentamente do que o restante.

A diferença está na ordem de um nanossegundo — um bilionésimo de segundo — ou menos. Mas o LHC já tem detectores sofisticados o suficiente para capturar essa diferença; um estudo recente usando dados coletados da última corrida descobriu que o método deve funcionar, e os detectores ficarão ainda mais sensíveis como parte da atualização que está em andamento.

“Prevemos que este método aumentará nossa sensibilidade a partículas escuras de vida longa em mais de uma ordem de grandeza, ao mesmo tempo em que usamos as capacidades que já temos no LHC”, disse Liu.

Experimentalistas já estão trabalhando para construir a armadilha: quando o LHC voltar a funcionar em 2021, depois de aumentar sua luminosidade em dez vezes, todos os três principais detectores estarão implementando o novo sistema, disseram os cientistas. “Achamos que ele tem um grande potencial para novas descobertas”, disse Liu.

“Se a partícula está lá, só temos que encontrar uma maneira de investigar”, disse Wang. “Normalmente, a chave é encontrar a pergunta certa a ser feita.” [University of Chicago News]


“Enhancing Long-Lived Particles Searches at the LHC with Precision Timing Information.” Liu et al, Physical Review Letters, April 3, 2019. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.131801.