Novos experimentos no Grande Colisor de Hádrons estão estreitando a busca por monopolos magnéticos – partículas com apenas um pólo magnético norte ou sul.
Todas as partículas elementares conhecidas têm um pólo norte e um pólo sul – como um ímã de barra tradicional – mas os cientistas têm boas bases teóricas para acreditar que existem monopolos. Se encontrados, eles podem lançar uma nova luz sobre o eletromagnetismo e a unificação das forças fundamentais.
Agora, uma nova classe de experimentos no Grande Colisor de Hádrons (LHC) no CERN, imaginado pela primeira vez por físicos imperiais, criou condições mais prováveis de produzir monopolos. Embora nenhum tenha sido encontrado ainda, os novos experimentos permitiram aos pesquisadores refinar as prováveis propriedades dos monopolos, direcionando o curso de experimentos futuros.
Os resultados, produzidos pela equipe do MoEDAL (Monopole and Exotics Detector at the LHC), que inclui pesquisadores do Imperial College London, foram publicados hoje na revista Nature.
O coautor do professor Arttu Rajantie, do Departamento de Física do Imperial, cuja equipe desenvolveu a teoria por trás dos novos experimentos, disse: “Descrever como os monopolos magnéticos se comportariam em altas energias é um problema aberto de longa data na física teórica. Como eles interagiriam muito fortemente com o campo eletromagnético, as mesmas técnicas que usamos para outras partículas não funcionam.
“Por causa disso, as conclusões que os físicos conseguiram tirar de experimentos anteriores no LHC e em outros lugares foram limitadas. Esses novos experimentos, no entanto, usando um mecanismo de produção diferente, nos permitem descartar categoricamente a existência de certos tipos de monopolos e nos deram uma ideia muito mais sólida de onde a busca por monopolos pode ir a seguir.”
Colisão de íons pesados
O LHC geralmente esmaga prótons únicos em energias extremamente altas. Embora o experimento MoEDAL analise essas colisões, não há uma boa compreensão teórica de como os monopolos podem ser produzidos nesses eventos.
Em 2018, o LHC esmagou um tipo diferente de partícula – íons pesados, na forma de núcleos de chumbo. Essas partículas contêm centenas de prótons e nêutrons, e esse peso significa que elas só podem colidir em energias mais baixas do que colisões de um único próton.
No entanto, se esses núcleos de chumbo se cortarem ou passarem muito próximos, a interação pode criar algo espetacular: os campos magnéticos mais fortes conhecidos no universo, um milhão de vezes mais fortes que os encontrados em estrelas de nêutrons. Estes duram apenas um tempo extremamente curto, mas sua existência fornece um mecanismo diferente para a produção de monopolos magnéticos.
A teoria segue um mecanismo para criar a versão elétrica dos monopolos: elétrons e seu equivalente de antimatéria, pósitrons. O “mecanismo de Schwinger”, proposto na década de 1930, diz que um forte campo elétrico irá interagir com flutuações quânticas no vácuo e produzir elétrons e pósitrons. Da mesma forma, um campo magnético forte deve produzir monopolos Norte e Sul.
Qual o peso de um monopolo?
Ao contrário das colisões próton-próton, onde as partículas são produzidas por uma única colisão violenta, no mecanismo de Schwinger elas surgem de um grande número de pequenas interações, que os pesquisadores podem descrever teoricamente. É importante ressaltar que isso permite que os pesquisadores prevejam quantos monopolos seriam produzidos por esse mecanismo.
No entanto, a previsão depende de quão pesados são os monopolos. Se forem muito pesados, as colisões de núcleos de chumbo no LHC não teriam energia suficiente para produzi-los.
Este foi o caso na série de experimentos de 2018; nenhum monopolo foi produzido. Os experimentos, no entanto, provam que, se existem monopolos, eles são mais pesados do que um certo limite (75 GeV/c2). Isso permite que novas previsões sejam feitas para experimentos futuros que esmagam núcleos de chumbo em energias mais altas.
O experimento também mostra que a colisão de íons pesados como núcleos de chumbo é um método válido para procurar novas partículas. O professor Rajantie disse: “As colisões próton-próton, sendo tão de alta energia, são muitas vezes consideradas como a única fronteira para descobrir novas físicas, com colisões de íons pesados úteis apenas para examinar fenômenos conhecidos em energias mais baixas.
“Nossa busca por monopolos mostra que esses experimentos de baixa energia, mas de campo magnético forte, também podem ser usados para buscar novas físicas. Atualizações para o LHC e experimentos futuros – como o Future Circular Collider proposto, programado para ser quase quatro vezes maior que a circunferência de 27 km do LHC – devem ter isso em mente.”
Publicado em 06/02/2022 10h30
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