O laboratório europeu de física CERN planeia construir um mega colisor até 2070. Críticos afirmam que o plano pode levar à sua ruína.
Na fronteira entre a Suíça e a França, na sede do laboratório europeu CERN, está em curso uma batalha pelo futuro da física de partículas. Os líderes do CERN querem construir aqui a maior máquina do planeta: um enorme acelerador de partículas que seria inaugurado em 2070 e que faria o Grande Colisor de Hádrons (LHC), a atual instalação principal do laboratório, parecer pequeno.
Tudo sobre este plano é sem precedentes. O Futuro Colisor Circular (FCC), como é chamado, ficaria num túnel com 91 quilómetros de circunferência, mais de três vezes o tamanho do LHC. O seu custo deverá ser de, pelo menos, 30 mil milhões de dólares e colidiria protões com energias oito vezes superiores às do LHC. Espera-se que a expansão desta fronteira de energia revele partículas nunca antes vistas, que poderiam resolver alguns problemas urgentes relacionados com o modelo padrão — a atual melhor teoria das partículas e campos fundamentais do Universo — e esclarecer alguns dos maiores mistérios da física, como a natureza da matéria escura.
As tecnologias para alcançar tais energias ainda não estão prontas. Por isso, o plano é escavar o túnel e instalar uma máquina mais simples que, a partir de 2045, colidiria eletrões e as suas antipartículas, chamadas positrões (ver ‘Plano do CERN para um mega-colisor’). Este colisor intermédio produziria e estudaria um grande número de partículas elementares conhecidas como bosões de Higgs para compreender o seu papel fundamental na natureza. Posteriormente, esta ‘fábrica de Higgs’ seria desmontada
Décadas de colisores circulares
O CERN surgiu após a Segunda Guerra Mundial como parte de um esforço deliberado para promover a ciência pela paz, e tem sido um centro fundamental para a investigação em física de partículas desde então. Com um orçamento anual de quase 1,5 mil milhões de francos suíços (1,7 mil milhões de dólares), definido por uma convenção internacional, e financiamento de 24 estados-membros, bem como de países não membros como os Estados Unidos e o Japão, é um farol de cooperação científica internacional.
Durante quase duas décadas, acolheu o LHC, o maior e mais potente colisor do mundo. O LHC substituiu um anterior colisor de eletrões e positrões no mesmo túnel, chamado LEP, construído nos anos 1980. Mas o CERN acolhe muitas outras experiências e programas tecnológicos, incluindo trabalhos sobre antimatéria, raios cósmicos, tecnologias alternativas de aceleradores, ímanes avançados e isótopos para aplicações médicas.
Foi no LHC que, em 2012, Gianotti anunciou a descoberta do bosão de Higgs. Esta é talvez a maior descoberta do CERN: não apenas mais uma partícula, mas o elemento central do modelo padrão. A descoberta do Higgs foi a primeira evidência direta de um campo que permeia o Universo, o campo de Higgs. As diferentes interações de outras partículas fundamentais com este campo explicam por que têm massas diferentes.
O LHC não conseguiu superar esse momento. O bosão de Higgs foi descoberto ao colidir protões a altas energias, mas o colisor até agora não conseguiu alcançar outras descobertas muito esperadas, como a natureza da matéria escura. Com o fim da vida útil do LHC previsto para 2040, as ideias para o seu sucessor têm sido discutidas desde a década de 2010.
O modelo padrão não consegue explicar a matéria escura ou as partículas desconhecidas que determinam a natureza do campo de Higgs, entre outras grandes questões da física de partículas. Mas não está claro, a partir dos modelos dos teóricos, se colidir protões a energias mais elevadas revelaria novas partículas extremamente massivas que poderiam fornecer respostas.
Ainda assim, muitos investigadores acham que vale a pena. ‘A exploração da fronteira de energia permitirá-nos aprofundar a nossa compreensão da física nas distâncias mais curtas, que sabemos estar intimamente ligada à física do Universo nas maiores escalas’, diz Gianotti. ‘É como um oceano aberto’, afirma o físico de partículas Pierluigi Campana, que está sediado perto de Roma e preside ao Comité Internacional para Aceleradores Futuros. Ele compara a busca pela fronteira de energia à dos primeiros exploradores que atravessaram o Oceano Pacífico em canoas e colonizaram as suas muitas ilhas.
O conceito de FCC em duas fases foi apresentado pela primeira vez em 2019. A ideia é que a ‘fábrica de Higgs’ da fase inicial possa revelar alguns desvios em relação às previsões do modelo padrão, o que poderia indicar se novas partículas existem e quão massivas poderiam ser. Esta questão está ligada a um mistério central sobre o modelo padrão: como o bosão de Higgs ‘quebra a simetria’ entre duas das três forças fundamentais do modelo padrão: a força eletromagnética e a força nuclear fraca. Nas altas energias que existiam logo após o Big Bang, estas duas forças estavam unificadas.
Depois, uma vez que a investigação produza avanços na tecnologia necessária, como a produção de ímanes supercondutores de alta resistência que orientam e focam feixes de partículas, o FCC da segunda fase poderia ser construído para descobrir essas partículas — se estiverem ao seu alcance. (Alguns físicos dizem que as novas partículas poderiam incluir os constituintes da matéria escura, mas muitos teóricos agora pensam que tais partículas provavelmente serão muito mais leves, e não mais pesadas, do que o intervalo já pesquisado pelo LHC.)
Colisor dispendioso
Embora a maioria dos físicos de partículas concorde que ambas as máquinas do FCC seriam boas de se ter, os custos são assustadores. Ainda não há um custo total disponível; documentos do CERN sugerem que apenas a primeira fase poderá custar 17 mil milhões de dólares. No entanto, estimativas de Vladimir Shiltsev, físico de aceleradores na Universidade do Norte de Illinois em DeKalb, e dos seus colaboradores sugerem que este é um valor mínimo e que as duas fases juntas custariam pelo menos 30 mil milhões de dólares, e provavelmente muito mais (T. Roser et al. J. Instrum. 18, P05018; 2023).
Os investigadores propuseram vários outros designs possíveis para futuros colisores. Durante décadas, uma proposta líder para uma fábrica de Higgs não era um colisor circular, mas um linear, chamado Colisor Linear Internacional. Foi estudado em detalhe com a intenção de o instalar no Japão, mas o país não finalizou a sua aprovação. Os defensores de uma fábrica de Higgs linear, baseada no Colisor Linear Internacional, afirmam que faria todos os estudos de Higgs da versão circular, mas seria mais barata e rápida. Jenny List, física no Sincrotrão de Eletrões Alemão (DESY) em Hamburgo, diz que uma máquina com um túnel de 21–33 quilómetros poderia custar menos de metade do preço da primeira fase do FCC. Também poderia estudar como duas partículas de Higgs interagem entre si. Essa investigação não seria diretamente acessível no FCC e poderia ser crucial para compreender a natureza do campo de Higgs, diz Michael Peskin, físico teórico no Laboratório Nacional SLAC em Menlo Park, Califórnia. ‘Sabemos como construí-lo; tem um custo razoável e pode realmente estar em funcionamento quando o LHC terminar, se nos organizarmos’, afirma.
As opções linear e circular têm os seus pontos fortes e fracos, dizem os físicos. Os defensores do plano do FCC afirmam que um túnel linear seria um beco sem saída depois de cumprir o seu propósito como fábrica de Higgs. Mas List contra-argumenta que um colisor linear pode ser atualizado ao prolongar o túnel mais tarde. E poderia acolher um futuro acelerador linear baseado em uma das várias tecnologias avançadas que estão a ser desenvolvidas, como o Colisor de Cobre Refrigerado liderado pelos EUA. Este é um novo conceito para aceleradores lineares que poderia reduzir drasticamente o consumo de eletricidade em comparação com máquinas de potência semelhante.
‘Não há razão no mundo para construir uma fábrica de Higgs circular’ em vez de uma linear, diz Abramowicz, apontando em particular para a sua elevada fatura de eletricidade esperada. E alguns investigadores sugerem que seria melhor explorar várias opções do que prender as gerações futuras de cientistas num caminho caro até 2070 e além, quando não está claro se o FCC seria a ferramenta certa para responder às perguntas dos físicos. ‘Acharia muito injusto impor um programa de física aos meus netos’, diz Jochen Schieck, físico na Academia de Ciências da Áustria em Viena, que é membro do Conselho do CERN.
Para muitos físicos, um argumento persuasivo para o FCC é que pode continuar a apoiar a grande comunidade de 15.000 investigadores e funcionários de apoio que cresceu em torno das experiências do LHC. Isso, diz Abramowicz, é a verdadeira razão pela qual muitos apoiam a ideia do colisor circular: poderia produzir colisões em quatro ‘pontos de interação’ independentes, cada um com um detetor massivo a produzir dados que poderiam envolver uma colaboração de milhares de físicos. Um colisor linear só pode realizar uma experiência de cada vez, por isso apoiaria menos físicos.
Alcançar energias mais altas mais cedo
A ideia de que o gigantesco colisor de protões só estaria pronto em 2070 também preocupa alguns investigadores, porque significa que não verão a nova fronteira de energia durante as suas vidas profissionais. Alguns dizem que o CERN deveria fazer um esforço total em investigação e desenvolvimento para tecnologias avançadas de aceleradores que permitissem alcançar energias mais altas mais cedo. Isso incluiria a investigação de ímanes necessária para o FCC, mas também abrangeria novas — mas não comprovadas — ideias, como colidir feixes de muões, partículas que são primas pesadas dos eletrões.
Alguns investigadores, incluindo John Womersley, ex-diretor executivo do Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia do Reino Unido, e Tulika Bose, física do LHC na Universidade de Wisconsin-Madison, querem ver máquinas de energia mais alta desenvolvidas o mais rapidamente possível.
Womersley sugeriu encurtar o tempo de funcionamento do LHC, para 2035, e usar o financiamento alocado para desenvolver tecnologias para a segunda fase do FCC. Bose sugere saltar completamente a fábrica de Higgs.
Um porta-voz do CERN diz que os dados futuros do LHC atualizado já darão aos investigadores no início de carreira ‘uma posição fantástica, emocionante e instrutiva’, e que, se tudo correr conforme o planeado, haverá apenas alguns anos entre o fim desse programa e o início de um colisor de eletrões e positrões em meados da década de 2040.
Como o CERN avançou o seu plano
Uma crítica ao plano atual do FCC é que o CERN não ouviu suficientemente a comunidade antes de o formular, e que os recursos financeiros e humanos que colocou no estudo de viabilidade superaram o investimento noutros programas, como a investigação avançada de aceleradores.
Parte da discordância é sobre como interpretar um documento crucial divulgado em 2020 após um simpósio em Bad Honnef, Alemanha (ver go.nature.com/4hrjmqp). Realizado por um grupo de trabalho nomeado pelo Conselho do CERN e presidido por Abramowicz, o seu objetivo era atualizar a estratégia para a física de partículas europeia e o futuro do CERN. Nessa reunião, investigadores presentes dizem que um representante do governo alemão disse em privado aos físicos (incluindo Gianotti) que a Alemanha não poderia contribuir para um novo acelerador massivo — opiniões que se tornariam públicas em 2024.
O que emergiu no documento, dizem alguns, foi um compromisso pouco claro entre aqueles que queriam o endosso de um plano de FCC em duas fases e cenários alternativos. O documento listou uma fábrica de Higgs como ‘prioridade máxima’ (sem excluir um colisor linear), e depois enumerou, mas não classificou, outras prioridades. Estas incluíam investigar a viabilidade de um futuro colisor de hádrons no CERN com a possibilidade de uma fábrica de Higgs como primeira fase, e intensificar os esforços para desenvolver tecnologias para aceleradores futuros.
Alguns investigadores que participaram no processo de estratégia, incluindo Schieck e Siegfried Bethke, físico no Instituto Max Planck de Física em Garching, Alemanha, que é ex-membro do Conselho do CERN, dizem que este documento foi cuidadosamente redigido para deixar a porta aberta a designs alternativos de fábrica de Higgs e para evitar tornar o FCC em duas fases a prioridade máxima — pedindo apenas que a sua viabilidade fosse investigada. Não apoiou a opção precisa que a liderança do CERN perseguiu, o plano em duas fases que chega à conclusão tão longe quanto 2070. O CERN poderia ter colocado mais esforço em explorar a opção do colisor linear e mais recursos em tecnologias avançadas de aceleradores, dizem eles.
