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LHC e nova física

segunda-feira, 23 mar 2009; \13\UTC\UTC\k 13 Deixe um comentário Go to comments

09 dez. 2008: remoção de ímãs para reparo no LHC. O acelerador deve voltar a funcionar em outubro deste ano.

09 dez. 2008: remoção de ímãs para reparo no LHC. O acelerador deve voltar a funcionar em outubro deste ano.

Boa noite de segunda-feira! :)

Hoje há dois posts interessantes na blogoesfera sobre o LHC parcialmente sobre o mesmo tema. Um do Marcelo Gleiser e outro do Peter Woit comentando um recente texto de Freeman Dyson sobre o último livro do Frank Wilczek. O ponto em comum é o seguinte: os filtros de dados do LHC não poderiam esconder física nova?

Para entender a pergunta, permitam-me usar um exemplo já mais ou menos bem estabelecido, o WMAP Haze. Os satélites COBE e WMAP medem fótons que chegam aos detetores e apenas isso. Cabe aos físicos experimentais fazer uma análise dos dados para extrair o que é considerado a radiação cósmica de fundo (CMB) prevista pelo Big Bang de qualquer outro tipo de sinal que chega ao detetor. Em parte esse problema não é muito difícil porque a teoria é de que a CMB é praticamente homogênea e isotrópica no referencial da Terra, com pequenas contaminações devido a mudança de referencial — já que a Terra não está em repouso em relação a CMB. Isso está consistente com os dados, que mostram uma radiação na região de microondas que é aproximadamente homogênea e isotrópica quando se faz uma média da intensidade da luz sobre todo o ângulo sólido do céu. Entre as contaminações possíveis, há a contribuição de microondas da nossa própria galáxia. Esta é fácil de identificar porque estes fótons estão em sua maioria no plano da galáxia. No entanto, há um excesso de fótons em algumas freqüências específicas no plano da nossa galáxia que não vêm de estrelas porque a distribuição espacial é difusa, e não vêm do plasma de hidrogênio existente na galáxia, porque não concorda em energia. Essa emissão é conhecida como o “WMAP Haze”1. A colaboração WMAP remove essa contribuição da CMB de forma arbitrária, e assume que ela deve ser resultado de supernovas de mecanismos físicos pouco entendidos. Porém, Douglas Finkbeiner, astrofísico de Harvard, aponta que esse sinal pode também ser devido a aniquilação da matéria escura na galáxia — nova física.

O que acontecerá no LHC não é conceitualmente diferente, embora bem mais complicado. Primeiro, cada detetor do LHC tem um filtro no hardware que seleciona dados, primordialmente para excluir sinais que são considerados espúrios como a passagem de um raio cósmico pelo detetor ou uma flutuação elétrica. Esses filtros levam em consideração algumas suposições sobre o que pode acontecer na colisão, como conservação do momento e energia dentro de certo limite estatístico para múons e outros mésons. Só eventos que passam no filtro de hardware são transmitidos do detetor para a central de computadores do LHC. Mesmo assim, a previsão é que haverá muito mais dados sendo transmitidos do que poderiam ser gravados em HDs. Nos computadores do LHC, esses dados então serão filtrados novamente: um software compara-os com simulações Monte Carlo para remover aquilo considerado desinteressante, porque consiste em física conhecida. O resto dos eventos é gravado em disco. Esses eventos incluem qualquer efeito não previsto pelo MP mais qualquer coisa que não foi programada na simulação. Há uma probabilidade pequena de que parte dos dados excluídos contém nova física de eventos raros que foram confundidos com eventos do MP devido a janela de probabilidade usada pelo filtro.

Então, no final do dia, a imagem que sairá do LHC é apenas parcial, ligada diretamente a suposições dos físicos sobre onde algo pode dar errado e onde provavelmente não vai dar. Os dados jogados fora pelos filtros do LHC podem conter física nova, como pode ser o caso do WMAP Haze. Todavia o que se pode fazer na física é esperar que todos os dados permaneçam consistentes, só isso. Se ocorrer alguma discrepância os físicos experimentais vão voltar um passo atrás e checar as simulações e os filtros. Um exemplo disso aconteceu recentemente, quando a sessão de choque para decaimento de mésons B medida pelo CDF e D0 no Tevatron apresentou uma diferença entre duas formas distintas de medi-la, uma utilizando múons e outra não. O CDF deu um passo atrás e fez novas medidas rastreando a origem espacial dos múons, descobrindo no final do ano passado que havia um grande número deles sendo produzidos numa região inesperada. Esse problema permanece em aberto e é conhecido como os “múons fantasmas”, e ainda precisa ser confirmado pelo D0. Acredita-se que se os filtros do LHC fizerem algo errado, isso aparecerá como alguma inconsistência nos resultados, e a partir daí haverá uma investigação da origem do problema. Enquanto tudo estiver conforme o planejado, não há a menor condição, nem de recursos humanos, tempo e dinheiro, de fazer a análise de dados de cada sinal do LHC. Há um risco natural de que inicialmente o LHC só irá sinalizar aquilo que já era esperado não concordar com os dados, mas a longo prazo espera-se que isso será resolvido por inconsistências.

Para finalizar, só gostaria de comentar sobre o ceticismo de Woit e Dyson sobre o LHC “poder falhar”. Não há tal possibilidade — exceto se o dinheiro do projeto for cortado. O LHC vai inevitavelmente descobrir nova física: i) ou o bóson de Higgs será encontrado dentro de todo o paradigma atual da física de partículas sem nada mais, ii) ou o bóson de Higgs será encontrado com novas partículas ou iii) nem o bóson de Higgs nem nenhuma nova partícula é encontrada. Se i) saber-se-á a origem da quebra espontânea de simetria, o valor preciso da massa do Higgs e os valores precisos da violação CP no setor dos quarks pesados; ii) relaciona-se com novas forças da natureza, novas simetrias, dimensões espaciais extras ou algo ainda menos esperado; iii) o paradigma da física de partículas perturbativa pode requerer uma revisão profunda que eu prefiro nem especular a respeito, já que algo como o bóson de Higgs ou similar é inevitável dentro da abordagem perturbativa acreditada hoje em dia — e o Daniel vai dar pulinhos de alegria :).

Eu creio que o Woit acredita que i) não seria uma nova era dourada para física de partículas porque representaria apenas confirmação de um modelo já estabelecido. Isso é muito triste, acreditar que a física só progride se caminhar para novos modelos ou unificação das forças ou o que valha. O LHC vai abrir uma nova era dourada da física de partículas sem dúvidas, pois vai exigir melhores cálculos da QCD que podem levar a descobertas de novas simetrias e talvez avanços da lattice QCD. Isso servirá de acúmulo de evidência da validade do modelo que automaticamente permitirá restringir nova física de forma muito importante. Por exemplo, os parâmetros de violação CP serão medidos com maior precisão para os quarks pesados. Estes parâmetros são os mais sensíveis do MP à nova física, e o fato de que o MP aparenta responder por toda violação CP observada anula várias teorias que predizem “muita” violação CP — e também gera um problema teórico: por que a nova física não viola CP? Isso em geral requer adicionar novas simetrias a essas teorias. Além disso, CP combinada com a massa do Higgs são exatamente os números mais importantes para a cosmologia: são eles que determinam a contribuição da física eletrofraca para a assimetria matéria-antimatéria do universo, um problema em aberto e básico da física. O LHC também permitirá estudar o plasma de quarks e gluons que não apenas testará a QCD como também as dualidades entre QCD e teorias conformes, que vem reabrindo espaço para a contribuição da teoria de cordas na descrição do mundo real. Há muito território ainda a ser explorado nos modelos já conhecidos…

Notas

  1. “Haze” tem um duplo significado: no sentido de ser uma nuvem de emissão na galáxia, e no sentido de ter significado ainda confuso para a comunidade astrofísica.
  2. Agradeço ao Daniel por passar-me a informação sobre o post do Woit. :)
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  1. terça-feira, 24 mar 2009; \13\UTC\UTC\k 13 às 12:19:03 EDT

    Quanto a possibilidade (iii), acho que ela tem pouquíssima probabilidade de ocorrer, no sentido frequentista (certo?). Vendo a história dos vários aceleradores de partículas que tivemos no século passado, algum deles não achou nada?

    Não sei se essa possibilidade deve ser levada tão a sério assim.

  2. quarta-feira, 25 mar 2009; \13\UTC\UTC\k 13 às 07:31:25 EDT

    Sim, teve experimentos que o trigger era tão restrito que não mediram nada! Pode ser o caso do LHC? Sim, duvido muito, mas claro que pode. Mas é assim que experimentos são feitos… você sempre tem um(ns) modelo(s) na cabeça quando começar a testar alguma coisa. É uma questão de equilíbrio, seu poder computacional não é suficiente para armazenar toda a informação gerada. Ou você guarda uma grande parte daquilo que você acha que é física nova, ou você guarda uma parte menor daquilo que você desconhece. O problema é que esses eventos são tão raros que se você adotasse a segunda postura, a probabilidade de descoberta cairia drasticamente. (E aqui Leandro, é uma questão Bayesiana :D)

    Claro que a opinião do Woit e do Gleiser são relevantes, mas eles estão longe de ser especialistas em física experimental. Então tudo que se lê deles tem que ser absorvido com certa parcimônia.

    • quarta-feira, 25 mar 2009; \13\UTC\UTC\k 13 às 10:15:06 EDT

      @ Rafa,

      Concordo com suas ponderações… mas, os comentários do Dyson são extremamente pertinentes, e devem ser levados fortemente em consideração. :wink:

      []’s.

  3. quarta-feira, 25 mar 2009; \13\UTC\UTC\k 13 às 11:38:00 EDT

    ‘Xcuse me, wanna kiss the sky! :-P

    • Leonardo
      quarta-feira, 25 mar 2009; \13\UTC\UTC\k 13 às 13:16:27 EDT

      I want to reach out and touch the sky
      I want to touch the sun
      But I don’t need to fly
      I’m gonna climb up every mountain of the moon
      And find the dish that ran away with the spoon

      Got no religion, don’t need no friends
      Got all I want and I don’t need to pretend
      Don’t try to reach me, ’cause I’d tear up your mind
      I’ve seen the future and I’ve left it behind

      *lalalala*

  4. quinta-feira, 26 mar 2009; \13\UTC\UTC\k 13 às 19:57:12 EDT

    Rafael, você sabe dizer quais experimentos foram que não mediram nada?

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