Eles perderam evidências de uma nova física no Large Hadron Collider?

Detector de partículas ATLAS no LHC no Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (CERN) em Genebra, Suíça. O LHC, construído dentro de um túnel subterrâneo com uma circunferência de 27 km, é o maior e mais poderoso acelerador de partículas e a maior máquina do mundo. Mas ele é capaz de gravar apenas uma pequena fração dos dados que coleta.

No Large Hadron Collider, os prótons giram simultaneamente no sentido horário e anti-horário e colidem um com o outro, movendo-se ao mesmo tempo a uma velocidade de 99,9999991% da velocidade da luz. Em dois pontos, onde o maior número de colisões deve ocorrer de acordo com o esquema, grandes detectores de partículas são construídos: CMS e ATLAS . Depois dos bilhões e bilhões de colisões que ocorreram em enormes energias, o LHC nos permitiu avançar ainda mais em nossa busca pela natureza fundamental do Universo e pela compreensão dos elementos básicos da matéria.

Em setembro do ano passado, o LHC comemorou 10 anos de seu trabalho abrindo o bóson de Higgs, que se tornou sua principal conquista. Mas, apesar desses sucessos, não foram descobertas novas partículas, interações, decaimentos ou nova física fundamental. E o pior de tudo, a maioria dos dados recebidos do LHC está perdida para sempre.


A colaboração do CMS, cujo detector pode ser visto na foto antes da montagem final, divulgou os resultados mais abrangentes de seu trabalho. Não há sinais da física que vão além do modelo padrão .

Este é um dos quebra-cabeças mais obscuros da física de alta energia, pelo menos para as pessoas comuns. O LHC não perdeu apenas a maioria dos dados: perdeu 99,997% deles. Exatamente isso: de cada milhão de confrontos que ocorrem no LHC, restam apenas 30 registros.

Isso acontece quando necessário, devido às restrições impostas pelas leis da natureza, bem como às habilidades da tecnologia moderna. Mas essa decisão é acompanhada por uma sensação de medo, intensificada pelo fato de que não havia nada mais aberto do que o esperado bóson de Higgs. O medo é que haja uma nova física esperando para ser descoberta, mas nós a perdemos, jogando fora todos os dados necessários.


Evento candidato para quatro múons no detector ATLAS. Traços de múons e antimuons são mostrados em vermelho, e múons de vida longa viajam por um caminho mais longo do que qualquer outra partícula instável. Este é um evento interessante, mas para cada evento gravado, há um milhão descartado.

Mas não tivemos escolha. Algo teria que ser descartado de qualquer maneira. O LHC trabalha acelerando os prótons a uma velocidade próxima da luz, lançando-os em direções opostas e juntando-os. Portanto, os aceleradores de partículas funcionaram melhor por várias gerações. Segundo Einstein, a energia de uma partícula é uma combinação de sua massa em repouso (que você pode reconhecer como E = mc ² ) e a energia do movimento, também conhecida como cinética. Quanto mais rápido você se move - ou, mais precisamente, quanto mais perto você chega da velocidade da luz - mais energia de partículas você pode obter.

No LHC, colidimos prótons a velocidades de 299 792 455 m / s, apenas 3 m / s não atingindo a velocidade da luz. Colidindo-os em velocidades tão altas, quando eles se movem na direção oposta, possibilitamos a existência de partículas que não poderiam aparecer em outras condições.


O interior do LHC, onde os prótons voam a velocidades de 299 792 455 m / s, é de apenas 3 m / s, não atingindo a velocidade da luz.

A razão é a seguinte: todas as partículas (e antipartículas) criadas por nós têm uma certa quantidade de sua energia inerente na forma de uma massa em repouso. Quando duas partículas colidem, parte dessa energia deve ir para os componentes individuais dessas partículas, para sua energia de repouso e energia cinética (isto é, a energia do movimento).

Mas se houver energia suficiente, parte dela pode ser destinada à produção de novas partículas! Aqui a equação E = mc ² se torna mais interessante: a questão não é apenas que a energia E seja inerente a todas as partículas de massa m, mas também que, com energia suficiente disponível para nós, podemos criar novas partículas. No LHC, a humanidade alcançou maiores energias em colisões que geraram novas partículas do que qualquer outro laboratório da história.


Os físicos examinaram o LHC em busca de sinais de um grande número de opções para uma física potencialmente nova, desde medições adicionais e matéria escura a partículas supersimétricas e buracos negros microscópicos. Mas, apesar de todos os dados coletados nessas colisões de alta energia, nunca foram encontradas evidências desses cenários.

Cada partícula é responsável por cerca de 7 TeV de energia, ou seja, cada próton recebe energia cinética, que é 7000 vezes maior que a energia restante. No entanto, as colisões raramente ocorrem e os prótons não são apenas minúsculos - na maioria são vazios. Para aumentar a probabilidade de uma colisão, você precisa tomar mais de um próton por vez; prótons são injetados em grupos.

Isso significa que, com força total dentro do LHC, durante sua operação, muitos pequenos grupos de prótons correm no sentido horário e anti-horário. O comprimento dos túneis do LHC é de aproximadamente 26 km e cada grupo de prótons é separado por apenas 7,5 M. Esses raios de prótons são comprimidos antes da interação no ponto central de cada detector. E a cada 25 nanossegundos há uma chance de colisão.


O detector CMS no CERN é um dos dois detectores mais poderosos já criados. Em média, a cada 25 nanossegundos em seu centro colidem novos grupos de partículas.

Então o que fazer? Conte com um pequeno número de colisões e registre cada uma delas? Isso será um enorme desperdício de energia e possíveis dados.

Em vez disso, injetamos vários prótons em cada grupo e, toda vez que encontramos raios, temos boas chances de colisões de partículas. E cada vez durante essa colisão, as partículas explodem em todas as direções dentro do detector, lançando circuitos e eletrônicos complexos, permitindo recriar o que foi criado, quando e em que local do detector. É como uma explosão gigantesca, e somente medindo todos os pedaços de estilhaços que saíram dela, podemos recriar o que aconteceu (e as coisas novas que criamos) no momento do surto.


Evento do bóson de Higgs no CMS no LHC. A energia dessa colisão espetacular é 15 ordens de grandeza menor que a energia de Planck, mas são precisamente as medidas exatas do detector que nos permitem recriar o que aconteceu no ponto de colisão.

No entanto, isso levanta o problema de coletar e gravar todos os dados. Os detectores são grandes em si mesmos: CMS medindo 22 me ATLAS 46 m. ​​A qualquer momento, partículas originárias de três colisões diferentes aparecem dentro do CMS e de seis no ATLAS. Para gravar dados, você precisa seguir duas etapas:

1. Os dados devem ser transferidos para a memória do detector, limitados pela velocidade da eletrônica. Embora os sinais elétricos viajem quase à velocidade da luz, podemos "lembrar" apenas cerca de uma em quinhentas colisões.
2. Os dados na memória devem ser gravados no disco (ou em outro meio permanente), e isso acontece muito mais lentamente do que os dados na memória. Você tem que decidir o que armazenar e o que jogar fora.

Diagrama esquemático de como os dados são alimentados no sistema, os sensores são lançados, eles são analisados ​​e enviados para armazenamento permanente. Este é um gráfico para o ATLAS, é um pouco diferente de um gráfico para o CMS.

Utilizamos alguns truques para garantir a escolha de eventos com sabedoria. Examinamos imediatamente muitos fatores de colisão para determinar se os estudamos com mais cuidado ou não: é isso que chamamos de gatilho. Passando o gatilho, chegamos ao próximo nível. (Além disso, uma pequena fração dos dados que não passaram no gatilho é mantida, apenas no caso de um sinal interessante aparecer, para o qual não pensamos em fazer um gatilho). Em seguida, uma segunda camada de filtros e gatilhos é aplicada; se o evento for interessante o suficiente para salvá-lo, ele entra no buffer para garantir sua gravação no meio. Podemos garantir que qualquer evento marcado como "interessante" seja preservado, juntamente com uma pequena fração de eventos desinteressantes.

Como essas duas etapas são necessárias, podemos economizar apenas 0,003% para análises adicionais.


Candidato ao bóson de Higgs no detector ATLAS. Mesmo com sinais e faixas óbvias correndo lateralmente, é visível a presença de um grande número de outras partículas; tudo porque prótons são partículas compostas. Isso só funciona porque Higgs adiciona massa aos componentes fundamentais dessas partículas.

Como sabemos que armazenamos as informações necessárias? Aqueles em que a criação de novas partículas é provavelmente registrada, a importância de novas interações é visível, é observada nova física?

Quando os prótons colidem, na maioria das vezes nasce partículas normais - no sentido de que consistem quase inteiramente em quarks superiores e inferiores. (Estas são partículas como prótons, nêutrons e pions). A maioria das colisões ocorre de passagem, ou seja, a maioria das partículas colide com o detector na direção do movimento ou contra ela.


Os aceleradores de partículas na Terra, como o LHC do CERN, podem acelerá-los a uma velocidade muito próxima da velocidade da luz, mas ainda não a atingem. Os prótons são partículas compostas e, devido ao movimento a uma velocidade próxima à luz, após colisões, a dispersão de novas partículas entra ou é contra a direção do movimento, e não através dela.

Portanto, na primeira etapa, tentamos estudar os traços de partículas de energias relativamente altas, indo na direção transversal, e não para frente ou para trás na direção dos raios. Estamos tentando gravar nos eventos de memória do detector que, em nossa opinião, possuem a maior quantidade de energia livre E para criar novas partículas da maior massa possível m. Em seguida, examinamos rapidamente o que está na memória do detector para descobrir se vale a pena gravar esses dados no disco. Nesse caso, esses dados podem ser colocados na fila para armazenamento permanente.

Como resultado, a cada segundo você pode salvar 1000 eventos. Esse número pode parecer grande - mas lembre-se de que cerca de 40.000.000 de grupos de prótons colidem a cada segundo.


Traços de partículas devido a colisões de alta energia - imagem 2014 do LHC. Apenas uma das 30.000 colisões desse tipo é registrada e salva, a maior parte é perdida.

Pensamos que agimos com inteligência, escolhendo e mantendo exatamente o que mantemos, mas não podemos ter 100% de certeza. Em 2010, o data center do CERN alcançou um marco incrível: 10 petabytes de dados. Até o final de 2013, já continha 100 petabytes; em 2017, foi aprovada uma marca de 200 petabytes. Mas para todos esses volumes, sabemos que eles lançaram - ou não puderam gravar - 30.000 vezes mais dados. Poderíamos coletar centenas de petabytes, mas recusamos e perdemos para sempre muitos zettabytes de dados: são mais dados do que toda a Internet cria em um ano .


A quantidade total de dados coletados no LHC está seriamente à frente da quantidade total de dados enviados e recebidos pela Internet nos últimos 10 anos. Mas apenas 0,003% desses dados foram registrados e salvos; tudo o resto está perdido para sempre.

É altamente provável que o LHC tenha criado novas partículas, visto evidências de novas interações, observado e registrado todos os sinais da nova física. Além disso, devido ao nosso desconhecimento sobre o assunto das pesquisas, é possível que descartemos tudo isso e continuemos a fazê-lo. O pesadelo sobre a falta de física fora do Modelo Padrão está se tornando realidade. No entanto, o verdadeiro pesadelo está na possibilidade plausível de que exista uma nova física; construímos a máquina ideal para suas pesquisas, encontramos, mas não percebemos, por causa de nossas decisões e suposições. O verdadeiro pesadelo é que estamos nos enganando acreditando no Modelo Padrão, apenas porque estudamos 0,003% dos dados disponíveis. Pensamos que tomamos uma decisão inteligente, salvando os dados selecionados, mas não podemos ter certeza disso. É possível que nós mesmos, sem saber, tenhamos sofrido esse pesadelo.

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