Desvendar os mistérios da vastidão do Universo numa máquina de 100 quilómetros de comprimento, por si, é uma tarefa complexa. No entanto, cientistas estadunidenses propõem um projeto de apenas dez quilómetros para o mesmo fim: um acelerador de muões.

Aceleradores de partículas já são usados desde 1929 e têm descoberto importantes nuances das pequenas unidades que constituem a matéria-prima do nosso universo. Atualmente, há mais de 30 mil aceleradores em operação, porém, o maior e mais renomado é o LHC (Large Hadron Collider – O Grande Colisor de Hádrons). Encontra-se na periferia da cidade de Genebra, na Suíça e possui 27 quilómetros de circunferência  – embora com alguma dificuldade pois está a 100 metros de profundidade.

Apesar de muito grande e de conseguir suportar bem mais energia que o seu antecessor, o LEP (Large Electron-Positron Collider – Grande Colisor Eletrão-Positrão), a necessidade de usar energias muito maiores torna-se cada vez mais evidente porque este acelerador ainda possui algumas limitações. Mas antes de explicar essas mesmas limitações, há que entender o que é um acelerador de partículas.

Dentro do Acelerador, Dentro do Universo

 Aceleradores de partículas são, como o nome indica, máquinas circulares que aceleram partículas eletrificadas perto da velocidade da luz – a 99,99% -, em direções opostas, com o intuito de as duas colidirem. Ao esmagar estas partículas subatómicas em altas energias, os físicos podem observar novas a serem formadas com o impacto – partículas essas que não eram “vistas” desde o Big Bang. Cientistas usam, assim, estes aceleradores para entender o funcionamento do universo, ao recriar as condições iniciais do mesmo.

Atualmente há algumas dezenas de tipos de partículas conhecidas pelo ser humano. Vão desde partículas com nomes conhecidos por um aluno do ensino básico, como os eletrões e protões, passando por partículas com nomes mais científicos e práticos, como bóson W+ e W-, até às partículas com nomes exóticos que lhes dão personalidade, como os quark estranho e quark charmoso.

No entanto, quando falamos dos atuais aceleradores de partículas há quatro principais a ter em conta: os protões, os iões, os eletrões e positrões. O LHC acelera os dois primeiros, sendo ele o maior acelerador, pois necessita de energias mais altas para os fazer colidir a alta velocidade. O LEP, por sua vez, acelera os últimos em energias mais baixas. De forma simplificada, e se de um conto se tratasse, o protão seria o herói, por ter uma carga elétrica positiva; o eletrão seria o vilão, pois a sua carga elétrica é negativa; o ião seria um anti-herói, pois ora pode ter a carga positiva, como negativa, dependendo se perdeu ou ganhou um eletrão na sua composição; e o positrão seria um anti-vilão, por se tratar da antipartícula do eletrão, anulando-se aquando do seu encontro.

A Necessidade De Mais Energia

Estes colisores, no entanto, apesar de já terem confirmado muitas hipóteses e terem descoberto novas formas de partículas, ainda apresentam alguns entraves que impossibilitam o avanço científico da compreensão do universo.

Um dos grandes problemas é, sem dúvida, os gastos de energia. Assim como manda o princípio de equivalência proposto por Einstein naquela tão famosa equação E=mc2 (“E” sendo energia; “m” sendo a massa; e “c” a velocidade da luz no vácuo). Deste modo, quanto menos massiva é uma partícula, como é o caso dos eletrões, mais energia ela irradia. Isto era considerado um problema pois no LEP, a certa altura, mais depressa a energia era dissipada do que inserida na máquina. O LEP tornava-se quase como um balde de água com um furo na base.

Foi então necessário criar o LHC, um acelerador que aguentasse mais energia. Mesmo assim, aos dias de hoje, começa a haver uma urgência para alcançar energias mais altas, porque as teorias de partículas atuais ainda não conseguem cobrir por completo muitos fatores inerentes ao universo. Assim, seguindo as soluções até hoje conhecidas, o CERN propõe-se a construir um acelerador maior, que consiga então suportar mais energia. 

Uma Alternativa, Mas Não a Mais Aclamada

Os planos do CERN são os seguintes: até 2040 construir o FCC-ee (Future Circular Collider), um colisor de eletrão-positrão, de 91 quilómetros, e que custará 16 mil milhões de euros, uma vez que o LHC irá ser desligado em 2041; algumas décadas depois, em 2070 ou 2080, será a vez do FCC-hh, um colisor de hádrons, que poderá suportar até sete vezes mais energia que o LHC e que custará uma média de 47 mil milhões de euros. 

Apesar de parecer ser a ideia mais viável, não é a ideia de mais rápida execução e alguns jovens cientistas norte-americanos estão a levar isso em conta. Um subcomité de consultoria federal dos Estados Unidos da América (EUA) de nome P5 (Painel de Priorização do Projeto de Física de Partículas) propôs um projeto de construção mais barato, de equivalente eficácia, e mais pequeno – e, portanto, de mais rápida construção-, mas que ainda não se sabe se pode sair dos papéis da ficção e tornar-se realidade: um acelerador de muões.

Este seria construído no campus do laboratório de física de partículas dos EUA, o Fermilab, ocupando metade da área de construção do atual LHC. Segundo algumas expectativas, a sua finalização está prevista para 2050. Esta seria uma data bem mais aprazível para os jovens cientistas que queriam trabalhar nesta área e seria também uma oportunidade dos EUA recuperarem a liderança neste campo. Um projeto que custaria “apenas” 17 mil milhões de euros.

Problemas e Desafios 

Os defensores deste projeto afirmam ainda que a própria construção do FCC-hh poderia também apresentar alguns desafios. Os aceleradores de partículas costumam usar alguns imãs para focar e direcionar os feixes de partículas. Mas neste caso seria necessária uma tecnologia magnética que ainda não fora criada para manter as partículas no acelerador a uma alta velocidade, expostas a maiores energias, de forma estável. 

No entanto, o muão também apresentaria alguns desafios por si só, já que não se trata de uma partícula eterna, como as outras. A partícula por si é instável e tem tendência a decair, ou seja, a desintegrar-se, formando uma ou mais partículas diferentes. No caso do muão, se estiver parado, decai para um neutrino (uma outra espécie de partícula) em 2,2 microssegundos. Seria necessária uma aceleração extremamente rápida para que isto não acontecesse e para estender a vida do muão, devido ao fenómeno de dilatação do tempo previsto pela teoria da relatividade de Einstein. 

A própria formação do muão apresenta alguns problemas, já que o mesmo é formado a partir do decaimento de píons carregados, girando em torno de um campo magnético. O problema é que este decaimento também gera neutrinos, partículas energéticas que irradiam radiação. Isto poderia ser resolvido ao construir a máquina a uma profundidade maior do que o esperado, para que a radiação se dissipasse, mas mesmo assim trata-se de um desafio à segurança.

Muão, a Esperança

Todavia, se tudo fossem lados negativos, esta proposta não seria feita. Os muões são partículas com uma massa 207 vezes maior do que um eletrão. Por esse mesmo motivo, ele faz dispersar muito menos energia que o eletrão. Assim, um acelerador de muões poderia funcionar a dez vezes mais energia que um colisor de hádrons comum.  Esta partícula tende a não gastar a sua energia, o que faz com que as colisões sejam mais energéticas. Em alguns casos, isto pode aumentar a probabilidade de criar um evento premiado. Por exemplo, a criação de partículas específicas que só se formam em ambientes igualmente específicos. Isto ajudaria os cientistas a ter mais material e informação para as investigações nesta área.

Energias maiores podem também ser um alicerce para criar mini buracos-negros e entender melhor o seu funcionamento – algo que atualmente é impossível. Poderia também cobrir algumas lacunas e deficiências que existem nas teorias atuais de partículas, como o caso da matéria negra.

A matéria escura é, até hoje, um dos grandes mistérios do universo. Tudo o que conhecemos e que sabemos que é formado por átomos e tantas outras partículas já mencionadas, na verdade, representa apenas 4% do universo. Os outros 96% da sua composição estão distribuídos por energia escura (73%) e por matéria escura (23%). Ela representa grande parte do que ainda não pode ser observado, daí a sua evidência ser uma questão ainda em aberto na física. Supõe-se que atua sobre a gravidade, mas pouco ou nada se sabe a seu respeito. Alguns teóricos propõem, no entanto, que a matéria escura poderia ser formada através da interação de partículas pesadas com uma força específica – as condições ideais que seriam criadas num acelerador de muões.

Este é um sonho à espera de se tornar realidade. Seria um gigantesco salto na física e seria um salto ainda maior na compreensão total do nosso universo.

Fonte da Capa: Fermilab

Artigo revisto por: Matilde Ricardo