João Varela é professor no Departamento de Física do IST e investigador científico no LIP. Desde 1992 coordena a participação portuguesa na experiência Compact Muon Solenoid no anel de colisão LHC e é adido científico do CERN, na Suiça, onde tem a posição de CMS Trigger Project Manager.

Quais são as grandes respostas que o mundo poderá esperar da experiência que agora se inicia?
Muitas das perguntas que a física colocava há vinte anos continuam sem resposta e as motivações para o LHC permanecem abertas. Os resultados das ciências físicas, nas áreas interdependentes das partículas, astrofísica e cosmologia, deram-nos novos conhecimentos sobre o Universo e sobre o Infinitamente Pequeno, mas simultaneamente adensaram os mistérios. Hoje há mais coisas que sabemos que não sabemos. Neste contexto, há a convicção profunda que o LHC pode trazer algo de muito importante para a física, eventualmente um novo paradigma que altere a nossa visão do mundo físico.
A teoria dos constituintes elementares da matéria ao nível sub-atómico foi validada em experiências anteriores realizadas também no CERN. Combinando esta teoria com as observações astronómicas e cosmológicas, temos um modelo do Universo que permite compreender o que aconteceu desde o Big-Bang há cerca de dez mil milhões de anos. Mas estas teorias, baseados em equações matemáticas precisas, revelam igualmente a extensão da nossa ignorância. Por exemplo, para explicar uma propriedade fundamental da matéria, a massa, sem a qual não haveria estruturas organizadas - átomos , estrelas ou galáxias - introduziu-se um novo “ingrediente”, o famoso bosão de Higgs. O campo quântico associado a esta nova partículas é de natureza diferentes dos outros. Não se trata “apenas” de mais uma partícula, trata-se de um conceito novo, um campo que preenche todo o Universo e que pode existir num estado designado por falso-vácuo armazenando energia. Em determinada condições esta energia pode ser convertida em massa. Há fortes razões para pensar que o LHC poderá descobrir o Higgs caso exista. Mas se a explicação for outra o LHC estará também em condições de a encontrar. Pode-se eventualmente descobrir simetrias na natureza por revelar ou dimensões suplementares do espaço-tempo, como previsto nalguns modelos que propõem explicações plausíveis das inconsistências nas teorias actuais.
O estudo da rotação das galáxias revelou que a maior parte da massa no Universo não é constituída da matéria (átomos, núcleos) que observamos no nosso planeta. Chamamos-lhe matéria escura mas não se sabe o que seja. Mais recentemente introduziu-se o termo de energia escura, fonte de uma espécie de anti-gravidade que repele as galáxias umas das outras, para justificar a aceleração na expansão do universo observada de forma totalmente inesperada nas medidas de supernovas (explosões de grandes estrelas no fim de ciclo). Sabemos que em conjunto, matéria e energia escura, representam 96% do universo mas ignoramos o que sejam.
Mediu-se com uma precisão impressionante as ondas electromagnéticas originadas logo após o Big-Bang, que formam um fundo de radiação em todo o universo e que dão indicações preciosas sobre esses tempos iniciais. Estas observações sugerem que o universo terá sofrido uma expansão fenomenal num curtíssimo lapso de tempo logo após o Big-Bang, acompanhada da criação da matéria que hoje se encontra nas galáxias. Mas ninguém sabe de onde veio a energia necessária a essa “inflação” do Universo nem se a sua explicação tem alguma coisa a ver com a energia escura ou com os campos de Higgs.
O LHC vai certamente ajudar a compreender alguns destes mistérios que tocam em noções estruturantes da física como sejam a natureza da matéria e do próprio espaço-tempo.

Será que no final da experiência não teremos mais “perguntas” do que respostas?
Vamos ter algumas respostas mas certamente novas perguntas. Sempre foi assim na História da Ciência e com o LHC não será diferente. Estamos longe de um “conhecimento final” nas ciências físicas, se é que este conceito faz sentido.

Como pode explicar aos leigos o que significa anti matéria?
Para todas as partículas na natureza, por exemplo o electrão, existe também uma anti-partículas. Neste exemplo o anti-electrão é designado por positrão. Anti-partículas não existem de forma estável na Terra mas podem ser produzidas nas colisões nos aceleradores. A simetria entre matéria e anti-matéria foi quebrada após o Big-Bang e hoje o Universo só é constituído de matéria. As experiências do LHC permitirão compreender melhor a razão desta assimetria.

Quanto tempo teremos que esperar pelos primeiros resultados da experiência?
Cerca de um ano.

Qual o papel do contributo português no projecto e em especial qual o trabalho que o prof. desenvolve?
Sou membro da experiência CMS desde 1992 quando um pequeno grupo assinou a “Letter of Intent” e acompanhei as várias fases da experiência, desde a concepção, desenvolvimento de tecnologias e protótipos, construção dos detectores e finalmente instalação e teste. Hoje a experiência CMS conta com uma colaboração de 2200 cientistas de 160 universidades e institutos, em 36 nações.
Sou responsável pela concepção e coordenação do desenvolvimento do sistema de selecção das colisões interessantes, designado por Trigger System. Este sistema selecciona uma pequena fracção das colisões para serem registadas em disco pelo sistema de aquisição de dados. Como a taxa de colisão é elevadíssima o sistema tem que decidir num tempo extremamente curto. Tratam-se de sistemas electrónicos e computacionais dedicados, instalados em várias dezenas de armários e recebendo dados dos quatro sub-detectores de CMS através de dezenas de milhares de ligações ópticas e eléctricas.
Um grupo do LIP (Laboratório de Instrumentação e Partículas) ligado ao Instituto Superior Técnico e coordenado por mim construiu o sistema de trigger e de aquisição de dados de um dos quatro grandes sub-detectores da experiência CMS, nomeadamente o detector de electrões e fotões designado por Calorímetro Electromagnético. Este projecto contou nas fases inicias com a participação de cientistas do INESC-ID e IST. O grupo do LIP é presentemente responsável pela operação deste sistema. Outras contribuições importantes para a experiência CMS foram feitas pelo INEGI, ligado à Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, e pela empresa de microelectrónica Chipidea no Taguspark.
A experiência ATLAS conta com a participação de um grupo português liderado pela Prof. Amélia Maio, da Faculdade de Ciências de Lisboa. Muitas empresas portuguesas tiveram contratos de fornecimentos de materiais ou serviços para a construção do acelerador.

J.M.D.