FCC: o acelerador de partículas de 91 km que pode substituir o LHC

_{Texto: Bruno Vaiano | Edição: Alexandre Versignassi} 
^{Design e colagens: Juliana Krauss}

Átomo significa “indivisível” em grego antigo. Mais de dois mil anos atrás, o filósofo Demócrito imaginou que, quebrando as coisas em pedaços cada vez menores, uma hora você chegaria à coisa mais ínfima que existe. Um fragmento fundamental de matéria.

Ele acertou – só não sabia que picar o mundo no grau de pequenez necessário ia exigir aceleradores de partículas bilionários. Os gregos eram assim mesmo: ótimos em ter a ideia, melhores ainda em deixar a parte difícil para depois. 

Antes de começar a picar na prática, é claro, havia o problema de determinar quão picadinho era picado o suficiente. Nos idos de 1800, o químico inglês John Dalton propôs que, dividindo o ferro em pedaços cada vez menores, você chegaria a uma bolinha que ainda teria as características do ferro. Por sua vez, dividindo o oxigênio, haveria uma bolinha fundamental de oxigênio. Essas bolinhas, sólidas como as de bilhar, seriam os átomos. Eles viriam em vários tipos, um para cada elemento. 

Calhou que não era bem isso. Os átomos de Dalton, na verdade, não eram a menor coisa que existe. Eles ainda podiam ser picotados, e quando finalmente foram, percebemos que eram todos feitos da mesma coisa: partículas chamadas elétrons, prótons e nêutrons. Embora ferro e oxigênio sejam tão diferentes, os átomos desses elementos são todos formados pelo mesmo conjunto de três tijolinhos menores.

Ou seja: mesmo metais preciosos como o ouro não têm nada de fundamentalmente especial. A matéria-prima de todos os elementos é a mesma, só muda a receita. Um átomo de oxigênio tem 8 prótons; um de ferro, 26 prótons; um de ouro, 79 prótons. Existem até processos – como a radioatividade, a fissão e a fusão nucleares – por meio dos quais os átomos de um elemento podem se tornar átomos de outro elemento, como os alquimistas haviam sonhado. 

Por décadas, parecia que prótons, nêutrons e elétrons eram os verdadeiros indivisíveis de Demócrito. Mas calhou que, de novo, não era bem assim. Nos anos 1960, descobrimos que os prótons e nêutrons eram formados por trios de partículas ainda menores, chamadas quarks. (Os elétrons, por outro lado, se provaram realmente indivisíveis. Ufa.) 

Também concluiu-se que quarks e elétrons são só uma pequena amostra do zoológico subatômico que preenche o Universo. Ao longo do século 20, descobrimos tantas partículas novas que os físicos montaram uma tabela para organizá-las, acompanhada das equações que descrevem cada uma. 

O nome dessa tabela é Modelo Padrão, e ela contém os ingredientes de quase tudo que existe, bem como uma descrição das forças que regem a interação entre essas partículas, como o eletromagnetismo. Demócrito estaria satisfeito: uma lista dos átomos de fato. 17 tijolinhos fundamentais da realidade, pelo menos até onde a ciência e a tecnologia atuais nos permitem saber. 

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Do LHC ao FCC

Por muito tempo, houve uma limitação fundamental no Modelo Padrão: nenhuma partícula, de acordo com a  matemática, parecia ter massa. E como somos seres de carne e osso, e não borrões de energia vagando pelo Universo, era óbvio que havia alguma peça faltando no quebra-cabeça. 

Em 1964, o físico teórico Peter Higgs previu a existência de uma partícula especial, capaz de interagir com as outras de modo a dar massa às coisas. Em 1998, com o objetivo de verificar se essa partícula existia, a Organização Europeia para Investigação Nuclear (Cern) deu início à construção do maior experimento científico da história da civilização: um tubo capaz de acelerar e estilhaçar prótons com uma energia tão alta que essa partícula apareceria nos destroços.

Deu certo: 27 km de túnel e 4,7 bilhões de dólares depois, o Grande Colisor de Hádrons (LHC, na sigla em inglês) encontrou a partícula de Peter Higgs – mais conhecida pelo nome técnico, bóson de Higgs. 

Hoje, com o Higgs adicionado e confirmado, o Modelo Padrão é a teoria mais acurada da história da ciência: suas equações preveem os resultados de vários experimentos com até doze casas decimais de precisão. Ele é um retrato matemático praticamente perfeito do mundo real – ou melhor: da parte do mundo real que ele se propõe a explicar. 

O que o Modelo Padrão não abarca? A maior das suas lacunas é que ele descreve a matéria e a energia, mas não o tecido do espaço-tempo, que é o cenário do Universo, o pano de fundo no qual a realidade se desenrola. O espaço e o tempo são descritos pelas equações da Relatividade Geral de Einstein, e não sabemos ainda como juntar o trabalho de Einstein com a física de partículas. E como a força da gravidade consiste em deformações no espaço-tempo, ela automaticamente está fora do Modelo Padrão. 

Nos nossos experimentos rotineiros em aceleradores, podemos nos dar o luxo de deixar a gravidade fora das contas. Na escala das partículas subatômicas, ela é uma força tão fraca que não afeta o desfecho de das colisões (um próton ou elétron é algo leve demais para cair). Mas para explicarmos a expansão do Universo e fenômenos como buracos negros, essa unificação entre teorias é importantíssima. 

Outras lacunas são menores, mas também imprescindíveis na nossa busca por uma teoria que descreva tudo. Não sabemos, por exemplo, por que partículas chamadas neutrinos têm massa e oscilam de uma certa forma – o Modelo Padrão diz que elas não deveriam exibir essas características. Também não sabemos o que é a matéria escura, uma forma de matéria indetectável que corresponde a 85% da massa total do Universo. 

Um outro mistério é entender por que existe tanta matéria se não há quantidades equivalentes de antimatéria. Toda partícula tem uma gêmea chamada antipartícula, com características opostas e complementares. Por exemplo: como o elétron tem carga elétrica negativa, sua antipartícula, o pósitron, tem carga positiva. As contas nos dizem que esses pares partícula-antipartícula deveriam existir em quantidades parecidas, mas não é isso que verificamos na prática. 

Para investigar essas perguntas que vão além do Modelo Padrão, precisamos de um acelerador capaz de alcançar energias ainda mais altas que o LHC. E é por isso que o Cern está trabalhando para convencer autoridades e agências de financiamento de que vale a pena construir uma máquina ainda maior – máquina que, até agora, está sendo chamada simplesmente de Futuro Colisor Circular (FCC).

O estudo de viabilidade do FCC começou em 2021 e deve emitir um relatório final em 2025. Em 2 de fevereiro deste ano, uma versão intermediária do relatório foi aprovada pelo conselho do Cern.

Caso o FCC saia do papel, ele será uma colaboração de 20 bilhões de euros entre 150 institutos de pesquisa de 31 países, instalada na fronteira da Suíça com a França – o mesmo local de seu antecessor. Seu túnel de 91 km de circunferência e 200 m de profundidade, com oito saídas para a superfície, começará a ser construído por volta de 2035 e deve ficar pronto até 2045.

A conclusão da obra vai coincidir quase perfeitamente com o fim das operações do LHC em 2045 – e o seu anel de 27 km, longe de se tornar um museu, servirá para pré-acelerar as partículas antes de injetá-las na circunferência maior. 

O projeto, na verdade, é uma promoção dois-por-um. Entre 2045 e 2070, a infraestrutura abrigará o acelerador FCC-ee, que vai colidir elétrons com suas partículas opostas, os pósitrons. Depois, o túnel será reaproveitado até 2100 para o FCC-hh – um colisor de prótons, que são partículas bem mais pesadas (vale lembrar que o LHC colide prótons, mas o túnel teve uma fase anterior com elétrons e pósitrons, que se chamava LEP e rolou entre 1989 e 2000). 

De modo geral, colisões entre elétrons e pósitrons são mais “limpas” e ajudam a colher muitos dados sobre fenômenos já conhecidos – motivo pelo qual o FCC-ee seria ótimo para estudar o Higgs em mais detalhes –, enquanto colisões entre prótons são melhores em produzir um montão de coisas novas, ainda que não permitam medições tão precisas.

As colisões de prótons no FCC vão atingir 100 TeV de energia, quase sete vezes mais do que os 14 TeV do LHC. A pancadaria com elétrons, por sua vez, vai superar 350 GeV, contra os 209 GeV que o LEP alcançava. 

Ignore as unidades de medida e foque nos números. A energia nas colisões entre prótons vai aumentar em uma ordem de magnitude, e isso pode parecer muito para olhos destreinados – mas, para muitas aplicações potenciais, não é. De fato, alguns físicos mais céticos argumentam que a janela de energia alcançada pelo FCC não será muito produtiva para nossas descobertas, e não justifica seu custo exorbitante. Vamos entender esse debate. 

Ou vai, ou racha

Quando o LHC foi construído, os físicos teóricos tinham todos os motivos para acreditar que o bóson de Higgs daria as caras. E ele apareceu mesmo. Prometer e obter um resultado assim foi essencial para o Cern manter o apoio das autoridades e do público para um projeto tão caro. Identificar a partícula responsável pela solidez dos nossos corpos e do mundo à nossa volta é uma notícia de jornal que, na cabeça do cidadão comum, compensa os boletos bilionários do projeto. 

“Em geral, quando você constrói um acelerador com uma certa energia, é porque há algo que você espera ver. Agora, estamos em um momento histórico diferente”, explica o físico George Matsas, do Instituto de Física Teórica (IFT) da Unesp. “Uma energia em que a gente espera que haja algo novo, em que é inevitável que apareça, é de 10¹⁶ TeV. Para chegar lá nós precisaríamos de um acelerador do tamanho do Sistema Solar.” 

Essa energia utópica nos permitiria investigar a gravidade, eventualmente encontrar a partícula da qual ela é feita e finalmente integrá-la ao Modelo Padrão. Esse desbunde de tamanho é necessário porque a gravidade é uma força fraquíssima em relação ao eletromagnetismo, por exemplo (é só pensar na facilidade com que um ímã levita um clipe de papel apesar de a Terra inteira estar puxando o clipe na direção oposta). Quanto mais fraca a força, maior o acelerador necessário para pesquisá-la.  

Não vamos construir um anel do tamanho da órbita de Netuno tão cedo. E para o nível de energia que o FCC pode nos fornecer – catorze ordens de magnitude menor –, não há nenhuma previsão teórica espetacular, que nos permitiria ao certo resolver as limitações do Modelo Padrão listadas alguns parágrafos atrás.

“É possível que, se alcançarmos energias mais altas, vamos encontrar partículas novas, mas nós não temos nenhuma boa razão para acreditar que isso vai acontecer”, resume em seu blog a física alemã Sabine Hossenfelder, do Instituto de Estudos Avançados de Frankfurt. Ela é uma das principais opositoras da construção do FCC. “A única coisa que sabemos ao certo que um colisor maior vai fazer é medir em maior detalhe as propriedades de partículas já conhecidas.”

Isso é necessariamente um problema? Não. Porque previsões espetaculares e midiáticas como o bóson de Higgs são uma exceção no método científico, não a regra. Nem toda descoberta é prevista de antemão por um teórico; nem toda partícula aparece embrulhada para presente.

Às vezes, as medições mais detalhadas que seriam possíveis no FCC podem revelar uma diferença de algumas casas decimais entre uma previsão do Modelo Padrão e o mundo real. E essa diferença, por mais sutil que seja, pode mostrar um caminho para irmos além dele.

Na ciência, respostas negativas também são respostas valiosas. Quando você não encontra nenhuma partícula ou fenômeno estranho em um certo nível de energia, você está excluindo uma montanha de hipóteses que propunham a existência de algo ali, e essa filtragem é uma parte importante e silenciosa da investigação da natureza. 

Para o físico Ricardo D’Elia Mateus, também do IFT da Unesp, “a física de partículas está mudando de uma era de descobertas – a gente já sabia desde a década de 1960 onde estariam várias partículas, e construímos aceleradores para achá-las – para uma era em que a gente precisa voltar a fazer medidas de precisão. E medidas de precisão não são tão excitantes, você não fica achando partículas novas”. 

Outros caminhos? 

É um fato que algumas limitações do Modelo Padrão possam ser sanadas usando experimentos menores, mais baratos e mais específicos. É o caso dos neutrinos, que mencionamos de passagem lá atrás. Vamos apresentá-los em mais detalhes. 

O setor de férmions do Modelo Padrão tem quatro partículas: o quark up, o quark down, o elétron e o neutrino – aquelas que formam a matéria. Existe um outro setor, o de bósons, que forma as partículas de força, mas esse não vem ao caso agora. Cada uma das partículas com massa tem duas versões mais pesadas sem papéis claros na construção do Universo, mas existem de qualquer forma, já foram detectadas em experimentos.

O elétron, por exemplo, vem acompanhado do múon (µ) e do tau (t). Esses dois sósias também têm carga elétrica -1 (negativa), e muitos outros traços idênticos. Mas a massa do múon é 200 vezes maior que a do elétron, e a do tau, 3 mil vezes maior. Os neutrinos refletem a lógica dos elétrons: existe um neutrino do elétron, um do múon e um do tau. 

Os quarks e o elétron formam os átomos, que formam você, os planetas, as estrelas etc. A importância deles é óbvia, portanto. Sobra o neutrino, que forma, bem… nada. Eles são gerados aos montes pela fusão nuclear no interior do Sol e por muitos outros tipos de fenômeno cósmico – de fato, são o tipo de partícula mais comum que existe –, e viajam pelo Universo atravessando todas as coisas sem interagir com elas. É comum descrevê-los como partículas-fantasma.

Na década de 1990, físicos que mediam neutrinos recém-chegados do Sol só conseguiam captar um terço da quantidade total prevista. Eles estavam atrás de neutrinos do elétron, já que os outros dois tipos deveriam ser raros. Calhou que não eram. Em sua viagem do Sol até a Terra, os neutrinos alternavam livremente entre suas versões elétron, múon e tau, como se estivessem girando em uma máquina de caça-níqueis. E uma consequência dessa oscilação é que eles têm massa, algo que, de acordo com o Modelo Padrão, não seria possível. 

Outra face desse problema é que os neutrinos são, no jargão dos físicos, partículas canhotas: têm uma propriedade que os faz girar para esquerda, e nunca vimos um neutrino que gira para direita. (Não leve a palavra “girar” ao pé da letra: na mecânica quântica, esses termos são só um jeito de se referir a características que não têm equivalente na escala humana.)

As demais partículas, porém, vêm em proporções iguais de destras e canhotas. E o interessante é que, se existissem neutrinos destros, não haveria mais um problema: o Modelo Padrão passaria a aceitar que eles têm massa.

Por isso, existe algo chamado “mecanismo da gangorra”, que postula que existe um neutrino destro gordinho puxando para baixo, enquanto o levíssimo neutrino canhoto fica lá em cima, visível para nós. O problema é que esses neutrinos destros nunca foram observados. 

O FCC poderia dar dicas importantes sobre a existência desses peso-pesados e sobre o problema das oscilações entre tipos. Mas, neste exato momento, o laboratório Fermilab, nos EUA, está construindo um experimento batizado com a sigla Dune para investigar o mesmo problema. O que é melhor: vários experimentos específicos ou um mais geral? Não há resposta certa; mas esse debate sobre custo-benefício é importante para as políticas públicas em ciência. 

Esse é só um vislumbre da complexidade das limitações do Modelo Padrão, e do quanto é difícil bolar novos jeitos de explorar a física pós-LHC. Mas uma coisa é certa: por mais engenhosos que possam ser nossos experimentos para investigar tal ou tal fenômeno, a natureza sempre vai cobrar um pedágio de energia maior se quisermos analisar o mundo mais de pertinho.

Um acelerador como o FCC é uma máquina versátil, capaz de pesquisar vários fenômenos, e 21 bilhões de euros parcelados ao longo de 70 anos por 31 países são uma pechincha comparados aos gastos militares do Ocidente: “esse é o preço de dois porta-aviões da classe Gerald R. Ford, e os EUA vão comprar dez deles”, resume o físico George Matsas. 

Ainda que o FCC seja, em muitos aspectos, um tiro no escuro, o fato é que toda a ciência básica é. Estamos explorando o Universo para ver o que ele tem a nos contar. Cada novo nível de energia é mais um pouquinho de terreno explorado na escala microscópica. E sem experimentos cada vez mais sofisticados – seja um acelerador de 91 km, seja qualquer outra tecnologia mais avançada que o futuro nos traga –, esses recantos da realidade, junto dos segredos que eles podem esconder, vão permanecer para sempre além do nosso alcance.

^{Agradecemos pela entrevista Alexandre Suaide, pesquisador do Instituto de Física (IF) da USP e participante do experimento Alice no LHC.}