Os físicos de partículas têm a reputação de construir alguns dos maiores experimentos científicos da humanidade. O Grande Colisor de Hádrons na Europa acelera partículas em torno de um circuito de 27 quilômetros de circunferência. O detector Belle II, que os cientistas usam para estudar colisões no acelerador de partículas SuperKEKB no Japão, pesa 1.400 toneladas. Quando concluídos, cada um dos maiores detectores do experimento de neutrinos DUNE nos Estados Unidos terá quatro andares de altura e conterá mais de 18 mil toneladas de argônio líquido.
Grandes projetos como estes produziram algumas das nossas maiores descobertas científicas e continuam a desempenhar um papel important na investigação atual. Mas na sua mais recente actividade de planeamento, os físicos norte-americanos deixaram claro que também há espaço para experiências mais pequenas – e menos dispendiosas.
Em dezembro do ano passado, o Painel de Priorização do Projeto de Física de Partículas de 2023 (P5) divulgou seu relatório uma vez por década delineando recomendações para os próximos 10 anos de pesquisa em física de partículas nos EUA. Entre suas principais recomendações estava “criar um melhor equilíbrio entre projetos de pequena, média e grande escala”, com essas categorias amplamente definidas como projetos que custam menos de US$ 50 milhões, entre US$ 50 e US$ 250 milhões e mais de US$ 250 milhões, respectivamente. .
O relatório recomendou alcançar este equilíbrio melhorado através da formação de um novo programa denominado ASTAE, para o Avanço da Ciência e da Tecnologia através de Experimentos Ágeis, que incluiria uma nova carteira de pequenos projectos no Departamento de Energia dos EUA.
Os especialistas por trás desta recomendação dizem que o problema não é que grandes projetos recebam muita atenção da comunidade física; é que projetos menores não são suficientes, e esses projetos podem ser cruciais para o futuro da pesquisa em física de partículas.
“O universo não revela facilmente os seus segredos e obriga-nos a construir (grandes projetos) para realmente ultrapassar os limites do que podemos medir”, diz Lindley Winslow, professor de física no MIT e membro do comité P5. “A questão é que, para construir grandes coisas, você precisa começar de algum lugar.”
Se você quiser investigar novas teorias da física, não poderá exatamente pular de uma proposta de pesquisa para um projeto de construção de US$ 250 milhões. “Precisamos de ter este meio-termo entre os esforços muito pequenos de I&D e as máquinas realmente gigantescas… Nas últimas décadas, esse tipo de meio-termo foi perdido”, diz Winslow.
A importância científica dos experimentos de pequena e média escala
Os membros do painel P5 dizem que projetos de pequena escala são a escolha lógica para as primeiras investigações sobre as mais novas e inovadoras teorias da física. “As experiências em pequena escala são como uma caixa de areia para explorar novas ideias”, diz Tien-Tien Yu, professor associado de física na Universidade de Oregon e outro membro do painel P5. “Financeiramente, (eles) não são um investimento muito grande, então você está disposto a assumir esses riscos.”
Esses riscos podem ter grandes recompensas que abrem áreas inteiramente novas da ciência.
Projetos de pequena escala também permitem que a comunidade da física de partículas discover a mesma questão de vários ângulos, em vez de colocar todos os ovos num único cesto de mil milhões de dólares. Isto é importante para os esforços que visam responder às grandes questões da física, como a busca contínua pela indescritível “matéria escura” que constitui mais de 80% da massa do Universo.
“A matéria escura é um tema muito amplo e ainda não temos uma ideia definitiva de qual é a natureza da matéria escura”, diz Yu. “O que isso significa é que você precisa estudá-lo de muitos eixos diferentes, de muitos ângulos diferentes.”
Durante décadas, a principal teoria da matéria escura tem sido a de que ela é composta de partículas massivas de interação fraca, ou WIMPs. Os físicos dizem que essas partículas hipotéticas extremamente pesadas se encaixam perfeitamente na matemática do Modelo Padrão da física de partículas, funcionando como uma espécie de parceira de outras partículas que se sabe que existem.
Mas o WIMP não é o único possível candidato à matéria escura. “Os teóricos têm sido muito inventivos”, diz Dan McKinsey, professor de física na UC Berkeley. “Eles criaram todos os tipos de modelos sobre o que poderia ser a matéria escura.”
Hoje, as principais alternativas WIMP incluem axions QCD, uma partícula elementar hipotética cuja existência poderia resolver uma inconsistência amplamente estudada no Modelo Padrão conhecida como o problema CP forte, e matéria escura clara, uma partícula hipotética semelhante aos WIMPs, mas muito mais leve em massa.
Acredita-se que os WIMPs sejam bastante grandes para os padrões de partículas, e a busca por eles requer grandes detectores de matéria escura construídos nas profundezas do subsolo. Teoriza-se que os áxions QCD e as partículas de matéria leve sejam muito menores, tanto que se comportam mais como ondas do que como partículas. A busca por partículas nesta escala menor exige estratégias diferentes.
“Você não precisa mais, nem pode usar, um detector gigante (para essas partículas semelhantes a ondas)”, diz Winslow. “Quando você está no espaço axion e no espaço claro de matéria escura, esses detectores precisam ser menores.”
Detectores mais pequenos são menos dispendiosos de construir do que os seus homólogos de detecção de WIMP e representam o tipo de projectos de pequena e média dimensão que a ASTAE cobriria. Poder-se-ia pensar que projectos como estes deveriam ser muito mais fáceis de lançar do que aqueles que envolvem orçamentos muito maiores, mas nos últimos anos, esse não tem sido o caso.
Desafios do gerenciamento de projetos de pequena e média escala
A recomendação P5 para o programa ASTAE inclui uma série de recomendações relativas à sua gestão. Uma é que o primeiro conjunto de propostas da ASTAE deve vir de uma coleção de experimentos de matéria escura em pequena escala originalmente lançados em 2019 por meio da atividade de planejamento DMNI – Darkish Matter New Initiatives do DOE. Através do DMNI, os cientistas propuseram pesquisa e desenvolvimento de tecnologia e estudos conceituais para se preparar para possíveis experimentos futuros com matéria escura. Em 2019, o DOE selecionou seis propostas para apoiar.
Os participantes do painel P5 dizem que há fortes razões científicas para realizar primeiro experimentos com matéria escura. Avanços recentes na cosmologia e em tecnologias como a detecção quântica levaram a uma explosão de novas teorias e propostas experimentais sobre a matéria escura, e esta abundância de novas ideias foi a principal razão pela qual o programa DMNI de 2019 foi criado em primeiro lugar.
Contudo, as motivações para colocar as experiências DMNI em primeiro plano também são táticas. Em geral, os experimentos de física de partículas do DOE são divididos em três fases – projeto, projeto de construção e operações. Cada um dura cerca de dois anos.
Muitos estudos conceituais foram paralisados em 2020, em grande parte devido à pandemia de COVID-19 e à diminuição do financiamento. “Estamos realizando uma fase de design de dois anos desde 2019”, diz Winslow, cujo experimento Darkish Matter Radio é um dos projetos DMNI.
Um projeto, denominado experimento Coherent CAPTAIN-Mills, precisou apenas de um suporte mínimo para terminar a fabricação e entrar em operação. Na reunião de maio de 2024 do Painel Consultivo de Física de Altas Energias, a Diretora Associada da HEP, Regina Rameika, anunciou que um experimento proposto chamado TESSERACT avançaria para a fabricação do projeto, começando em meados de 2025. Mas outros projetos ainda aguardam veredicto.
Em muitos aspectos, o ASTAE foi concebido como uma versão mais ampla e melhorada do programa DMNI, também aberto a projetos em áreas como a física dos neutrinos e oferecendo um caminho claro através de cada uma das fases do projeto.
Os membros do painel dizem que o número de anos de trabalho investidos nas experiências DMNI é uma boa razão para lhes dar prioridade. “Eles estão prontos para ir. São apostas seguras em vez de reiniciar todo o programa”, diz Winslow. “Se alguns deles não parecem totalmente prontos e novas ideias surgiram, vá em frente.”
Projetos de pequena escala e o futuro da física de partículas
O entusiasmo em torno do programa ASTAE destaca a importância de projetos menores no desenvolvimento da força de trabalho em física de partículas. Esses projetos de prazo relativamente curto proporcionam aos estudantes e aos cientistas em início de carreira uma experiência valiosa nas diferentes etapas da construção de um experimento.
Os físicos não têm necessariamente a mesma oportunidade em projetos maiores. “Experiências (em grande escala) de física de altas energias são coisas que estão levando décadas para serem planejadas e construídas”, diz Mayly Sanchez, professora de física na Florida State College e membro do painel P5. “Isso deixa a comunidade sem coisas que possam ser feitas durante a vida (de carreira)… das gerações mais jovens.”
Não são apenas os estudantes que são afetados, diz Winslow. “E não é apenas a força de trabalho científica. São os técnicos. São os engenheiros… Como você constrói coisas grandes? Como você vê (um projeto) em todas as etapas?”
Na reunião de dezembro de 2024 do Painel Consultivo de Física de Altas Energias, Rameika anunciou que o DOE não planejava avançar com a ASTAE em 2025. Mas ela não descartou a possibilidade de o DOE apoiá-lo no futuro.
Os participantes do painel P5 dizem que um foco renovado em projetos de pequena e média escala trará novo entusiasmo aos estudantes e cientistas em início de carreira que construirão o futuro da física de partículas.
“Acho que isso realmente irá reenergizar este setor da física de partículas”, diz Winslow. “Acho que você está vendo muito (entusiasmo) da comunidade (sobre) isso, porque nos dá essas metas de curto prazo e os resultados e o treinamento dos alunos.
“Essa é a parte divertida”, diz Winslow. “Construindo essas coisas e obtendo os dados.”
