O Espectrômetro Alfa Magnético / Alphamagnetic Spectrometer

O Espectrômetro Alfa Magnético.

Raios cósmicos o sobrevoarão e serão defletidos por um poderoso magneto para análise por um grupo de detectores.

Estamos em um apertado e sufocante compartimento sem janelas em um porão do CERN, na região campestre próxima a Genebra, onde dezenas de cientistas estão reunidos em torno de um enorme aparelho com a forma de um tambor. Eles parecem estranhos.

Cada um está vestido com roupas de limpeza com casacos de nylon, chinelos de plástico e toucas. Alguns carregam pranchetas. Outros olham fixamente para computadores conectados, via um emaranhado de cabos no assoalho, à máquina de 10 toneladas no centro da sala.

Mais de 500 cientistas de 56 instituições da Europa, China e Taiwan trabalharam nessas condições para proporcionar trabalho livre e conhecimento a fim de construir o Espectrômetro Alfa Magnético, um dos mais complexos e controversos instrumentos já feitos para executar pesquisas astronômicas.

Em meio a esta aparente confusão científica, a impassiva figura do Nobel de Física Sam Ting orquestra os procedimentos como se por telepatia. Ele raramente fala, e nunca sorri.

"Aprecie!" foi sua única expressão dirigida a mim quando me juntei a seu grupo de assistentes para vê-lo em ação. Descobri depois que aquele era um raro cumprimento para o físico de 74 anos.

Tal escassez verbal contrasta fortemente com sua ambição. Ele trabalhou durante os últimos 15 anos na construção de um instrumento que provavelmente voará na última missão da Estação Espacial Internacional ISS onde, durante os próximos três anos, irá vasculhar o céu em uma tetativa de responder a perguntas-chave a respeito do universo. De onde vêm os raios cósmicos? Poderia haver galáxias feitas de antimatéria no outro lado do universo? E qual é a real natureza da matéria escura?

Cientistas considerem o AMS uma obra prima de engenharia espacial. Ele cabe perfeitamente na nave espacial, mas explora a mesma tecnologia utilizada para fazer funcionar giagantescos aceleradores de partículas como o Grande Colisor de Hadrons (LHC) do CERN – inclusive um magneto supercondutor cujas correntes serão resfriadas a menos 270C. "Basicamente, o AMS é um detector de partículas multiuso levado ao espaço," diz Ting, que fica baseado no Massachusetts Institute of Technology, o famoso MIT.

Tal sofisticação científica é o suprassumo do admirável porque o Espectrômetro Alfa Magnético é destinado a ser o único instrumento capaz de executar qualquer tipo de pesquisa séria na Estação Espacial, que foi bastante criticada pela superficialidade de suas aspirações científicas. Ela não possui nenhum outro equipamento especializado dedicado.

Experiências feitas lá serão limitadas à razoavelmente trivial pesquisa de materiais e biologia em condições gravidade zero. Em 2002, um relatório da Academia Nacional de Ciências dos Estados Unidos descreveu a estação como um desperdício de dinheiro, que jamais alcançaria o status de laboratório de pesquisas de classe mundial".

A única exceção às críticas é o AMS. Seu escopo e desenho são inovadores. Ele irá estudar partículas de raios cósmicos que têm energia comparável à das partículas criadas pelo LHC (o maior acelerador já construído). Ainda assim, o AMS funcionará com apenas 2,5 quilowatts de energia – menos que a necessária para fazer funcionar um secador de cabelos – que será gerada por paineis solares.

"O custo oficial do AMS é US$300 milhões," diz o professor Martin Pohl, da Universidade de Gênova, um chefe de equipe deste projeto. "Mas, computando-se o tempo dos cientistas, além do custo do lançamento do Ônibus Espacial, que é a contribuição americana para o projeto, os gastos atingem mais de US$1,5 bilhão, quase o tanto que custou o LHC. Mas só que é uma máquina muito especial."

Especial ela certamente é, mas o AMS também provocou controvérsias, e sua inclusão na construção da estação foi foi ameaçada por intrigas políticas. A Nasa, sob a liderança de seu administrador anterior, Michael Griffin, recusava-se terminantemente a levar seu dispositivo para a ISS. Física de partículas não tinha lugar ali, decretou-se, e por muitos anos pareceu que o AMS terminaria largado, deteriorando-se em um galpão da Nasa, apesar das enormes somas gastas com a sua construção.

Os raios cósmicos foram descobertos em 1912 pelo físico austríaco Victor Hess. Em voos de balões, ele descobriu que átomos de nitrogênio, oxigênio e outros gases estavam sendo ionizados em quantidade crescente, à medida que ganhava altitude. Alguma forma de radiação estava caindo sobre a Terra e arrancando elétrons dos átomos daqueles gases na atmosfera superior, ele percebeu.

Estes misteriosos visitantes interestelares foram depois chamados raios cósmicos, embora hoje se saiba que não são raios, na verdade. São partículas subatômicas – a maioria protons e partículas alfa – que caem sobre o nosso planeta a energias colossais, às vezes viajando próximas à velocidade da luz.

A origem dessas emanações permanece um mistério, embora cientistas tenham lá suas ideias. "As partículas de raios cósmicos mais leves são provavelmente sobras do Big Bang," diz o professor Pohl. "As mais pesadas foram provavelmente atiradas ao espaço por explosões de supernovas." Resolver esse mistério será uma das principais tarefas do AMS.

O dispositivo é, na verdade, um grande tubo circundado por um poderoso magneto supercondutor. O fortíssmo campo que ele gera irá defletir as partículas à medida que elas voam através do túnel, enquanto instrumentos similares aos usados no LHC irão determinar a carga, massa, velocidade e energia daquelas partículas.

"Basicamente, nós apontaremos para as profundezas do espaço e veremos o que sai de lá," diz Chris Tutt, um dos gerentes americanos do projeto. Este é um ponto crucial, já que não são apenas raios cósmicos que os cientistas esperam ver voar para dentro do AMS. Eles têm toda uma lista de "desejos" de outras entidades que esperam ver surgir em seus detectores, inclusive aquela que é a mais misteriosa das substâncias, a antimatéria.

Teorias indicam que quantidades iguais de antimatéria e matéria normal devem ter sido criadas no Big Bang. Portanto, o universo deveria ter sua cota equivalente de galáxias de antimatéria. Estas, por sua vez, deveriam conter estrelas de antimatéria com mundos próprios de antimatéria.

Se levarmos a ideia de um universo-espelho adiante o suficiente, poderíamos ver esses mundos de antimatéria contendo pessoas de antimatéria vivendo em anticasas, e sentando-se em anticadeiras. Pelo menos, esta é a teoria. Infelizmente, apesar de esforços consideráveis, pesquisadores ainda não acharam um só átomo de antimatéria até agora.

Um rápido voo por uma versão prévia do AMS no ônibus espacial, em 1998, não revelou sinais de antimatéria, enquanto uma sonda conjunta Russan-Italiana chamada Pamela – a Carga para Exploração de Astrofísica de Antimatéria e Núcleos Leves – desenhou um vazio cosmológico similar.

Essas experiências funcionaram assumindo-se que assim como as partículas de raios cósmicos normais são produzidas por estrelas feitas de matéria normal, então raios cósmicos de antimatéria deveriam ser detectáveis se estivessem sendo espalhados pelo espaço por fontes de antimatéria. Uma antipartícula que entre no túnel do AMS irá virar na direção oposta à dos raios cósmicos normais porque tem carga elétrica diferente e os detectores do AMS irão acusar sua presença.

"O AMS foi projetado para mostrar a diferença entre raios cósmicos com carga positiva e os com carga negativa," diz Pohl. "Então, se começarmos a captar partículas pesadas de antimatéria isso significa que em algum lugar próximo há uma fonte de antimatéria. Poderia até significar que haveria uma estrela de antimatéria próxima a nós. Imagine!"

Na verdade, Pohl sabe muito bem que antimatéria de uma estrela local não irá saltar diante de nossos detectores no AMS. Na melhor hipótese, poderá pegar um ou dois íons pesados de antimatéria que tenham caído perto de nós de uma galáxia de antimatéria, no outro extremo do universo. "Nós já descobrimos em nosso voo experimental do AMS no ônibus espacial que não há sinais dessa coisa em nossa galáxia ou mesmo em nosso aglomerado local de satélites.

"Eu não creio que iremos achar antimatéria," acrescenta, "e de certa forma isso é um prospecto muito mais fascinante. Nós tivemos 13 bilhões de anos para a antimatéria do universo desaparecer, mas não temos a menor ideia de como isso pode ter acontecido. Será portanto mais fascinante não encontrar antimatéria do que o inverso. Nós aprenderemos mais por não observar algo do que se o tivéssemos feito."

Essa é uma possibilidade de dar água na boca quando se pensa na estrutura do universo. Nem é a questão da existência da antimatéria o único assunto polêmico que o AMS poderá ajudar a resolver.

Há, ainda, a perspectiva de que detecte a matéria escura. Astrônomos estão convictos que partículas ainda não detectadas permeiam o universo dando ás galáxias "otra mass".

Algumas dessas estranhas pequenas entidades podem aparecer nos instrumentos do AMS e inaugurar um novo capítulo na física cosmológica.

Certamente, grandes coisas são esperadas do AMS, o que torna a batalha para levá-lo ao espaço tão notável. No final, enfrentando a intransigência da Nasa, Ting fez pressão no Congresso, apoiado por laureados do Nobel como Steven Weinberg.

"Ting pode falar pouco, mas quando ele quer algo, consegue ser bastante persuasivo," diz Steve Myers, diretor dos aceleradores do Cern.

De sua parte, Weinberg foi inequívoco. Resultados do AMS seriam mesmo a única ciência significativa já feita na ISS. Esse dispositivo poderia fazer descobertas de fazer tremer a Terra.

O chefe da Nasa Michael Griffin was hauled before a hearing in 2008. "É quase como cortar nosso nariz para riri da nosa cara," disse um desanimado Bill Nelson, o senador Democrata pela Flórida. Um ano depois, Griffin foi substituído pelo atual chefe da Nasa, Charles Bolden. "Cinco dias depois, estávamos de volta ao manifesto pelo lançamento com o ônibus Espacial," disse Pohl.

Finalmente, uma lei passou no Congresso, assegurando que o AMS seria levado á Estação Espacial Internacional antes da aposentadoriada frota dos ônibus espaciais no finla desse ano.

Este voo está programado para julho, no penúltimo lançamento dos ônibus espaciais, embora Pohl tenha avisado que o AMS não deverá estarpronto antes do fim do ano, mais provavelmente no último voo dos ônibus espaciais.

Se for assim, será um final dramático para os ônibus espaciais, já que o AMS proporcionará aos cientistas, pela primeira vez, um complexo detector, estacionado fora da atmosfera da Terra, que lhes permitirá estudar partículas de alta energia no espaço.

Qualquer coisa poderá surgir desses detectores. Como Sam Ting diz: "Nós exploraremos territórios totalmente novos. A possibilidade de descobertas está além dos gráficos."

The Alpha Magnetic Spectrometer.

Cosmic rays will fly through it and be deflected by a powerful magnet for analysis by an array of detectors.

We are in a windowless, airtight room in a basement at Cern, in countryside outside Geneva, where dozens of scientists are gathered round a huge, drum-shaped device. They make an odd sight. Each is kitted out in clean-room togs of nylon coats, plastic slippers and hairnets. Some clutch clipboards. Other stare into computers linked, via a maze of cabling on the floor, to the 10-tonne machine in the centre of the room.

In total, more than 500 scientists from 56 institutions across Europe, China and Taiwan have worked in these conditions to provide free labour and expertise to build the Alpha Magnetic Spectrometer, one of the most complex and controversial instruments ever built to carry out astronomical research.

In the midst of this apparent scientific confusion, the impassive figure of the Nobel prize-winning physicist Sam Ting orchestrates proceedings as if by telepathy. He rarely speaks and never smiles. "Enjoy!" was his only utterance to me when I joined his group of assistants to watch them in action. I discovered later that this represented an unusually effusive greeting for the 74-year-old physicist.

Such paucity of speech contrasts dramatically with Ting's ambition, however. He has laboured for the past 15 years to build an instrument that is likely to be flown on the last-ever mission by the space shuttle to the International Space Station where, for the next three years, it will survey the skies in a bid to answer key questions about the universe. Where do cosmic rays come from? Could there be galaxies made of antimatter on the other side the universe? And what is the true nature of dark matter?

Scientists consider the AMS to be a masterpiece of space engineering. It fits snugly into the hold of the space shuttle but exploits the same technology that is used to run giant particle colliders like Cern's Large Hadron Collider (LHC) – including a super-conducting magnet whose currents will be chilled to minus 270C. "Basically, the AMS is an all-purpose particle detector moved into space," says Ting, who is based at the Massachusetts Institute of Technology.

Such scientific sophistication is all the more the striking because the Alpha Magnetic Spectrometer is destined to be the only instrument capable of carrying out any kind of serious research on the space station, which has been heavily criticised for the flimsiness of its scientific aspirations. It possesses no other dedicated specialised equipment. Experiments carried out there will be limited to fairly trivial research on materials and biology in zero-gravity conditions. In 2002, a US National Academy of Sciences report described the station as a waste of money that would "never achieve the status of a world-class research laboratory".

The one exception to such criticism is the AMS. Its scope and design are groundbreaking. It will study cosmic ray particles that have energies comparable with particles created by the LHC (the largest particle accelerator ever built). Yet the AMS will run on only 2.5 kilowatts of power – less than that needed to run a hair-drier – which will be generated by its solar panels.

"The official price of the AMS is $300m," says Professor Martin Pohl of Geneva University, a team leader for this project. "But if you add in the cost of scientists' time, as well as the cost of the shuttle launch, which is America's contribution to the project, then you get a price tag of more than $1.5bn, which is close to that of the LHC. But then this is a very special machine." Special it certainly is, but the AMS has also proved controversial and its inclusion in the station's construction has been bedevilled by political intrigue. The US National Aeronautics and Space Administration (Nasa), under the leadership of its previous administrator, Michael Griffin, flatly refused to fly the device to the space station. Particle physics had no place there, it was decreed, and for many years it seemed as if the AMS would end up languishing in a Nasa storeroom despite the vast sums spent on its construction.

Cosmic rays were discovered in 1912 by the Austrian physicist Victor Hess. On balloon flights, he found that atoms of nitrogen, oxygen and other gases were being ionised in increasing numbers as he gained height. Some form of radiation was beaming down on Earth and knocking electrons from atoms of these gases in the upper atmosphere, he realised.

These mysterious interstellar visitors were subsequently called cosmic rays, though today we know they are not actually rays. They are sub-atomic particles – mostly protons and alpha particles – that stream down on our planet at colossal energy, sometimes travelling close to the speed of light.

The origin of these emanations remains a mystery, though scientists do have their ideas. "The lighter cosmic ray particles are probably leftovers from the Big Bang," says Professor Pohl. "The heavier ones were probably blown into space by supernovae explosions." It will be one of the key tasks of the AMS to solve this mystery.

The device is, in effect, a large tube surrounded by a powerful, super-conducting magnet. The mighty field it generates will deflect particles as they fly through the tunnel while instruments, similar to those used in the LHC, will determine the charge, mass, velocity and energy of those particles.

"Basically, we will point it at deep space and see what comes through," says Chris Tutt, one of the project's US managers. This is a crucial point, for it is not just cosmic rays that scientists expect to fly into the AMS. They have a whole shopping list of other entities they hope will pop up in its detectors, including that most mysterious of substances, antimatter.

Theories indicate that equal amounts of antimatter and normal matter should have been created in the Big Bang. Thus the universe should have its fair share of antimatter galaxies. These in turn should be filled with antimatter stars with their own antimatter worlds. If we take the idea of this mirror-image universe far enough, we could envisage these antimatter worlds containing antimatter people who live in antihomes and sit on antichairs with anti-antimacassars on the back. At least that's the theory. Unfortunately, despite considerable efforts, researchers have found not a single atom of antimatter in their searches.

A brief flight by an early version of the AMS on the shuttle in 1998 revealed no signs of antimatter, while a joint Russian-Italian probe called Pamela – the Payload for Antimatter Exploration and Light Nuclei Astrophysics – has drawn a similar cosmological blank. These experiments have worked on the assumption that just as normal cosmic ray particles are produced by stars made of normal matter, then antimatter cosmic rays should be detectable if they are being sprayed into space from antimatter sources. An anti-particle which enters the AMS tunnel will bend in the opposite direction to a normal cosmic ray particle because it has a different electrical charge and the AMS's detectors will reveal its presence.

"The AMS is designed to tell the difference between positively charged and negatively charged cosmic rays," says Pohl. "So if we start picking up heavy particles of antimatter that means that somewhere nearby there is a pocket of antimatter. It could even mean there is antimatter star near us. Imagine!"

In fact, Pohl is pretty sure that anti-matter from a local star will not pop up on the AMS's detectors. At very best, it may pick up one or two heavy ions of antimatter that have hurtled towards us from an antimatter galaxy at the other end of the universe. "We have already found on our brief early flight of AMS on the space shuttle that there is no sign of the stuff in our galaxy or even in our local cluster of satellites.

"I don't think we will find anti-matter," he adds, "and in a way that is a far more fascinating prospect. We have had 13 billion years for the universe's antimatter to disappear but we have no idea how that could have happened. It will therefore be more fascinating not to find antimatter than to find it. We will learn more from not observing something than from observing it."

This is a mouth-watering prospect if you care about the structure of the universe. Nor is issue of antimatter's existence the only contentious issue that AMS may help resolve. There is also the prospect that it will detect dark matter. Astronomers are convinced that as yet undetected particles permeate the universe providing galaxies with extra mass. Some of these strange little entities may show up on the AMS's instruments and open up a complete new chapter in cosmological physics.

Certainly, great things are expected of the AMS, which makes the battle to fly it to the space station so remarkable. In the end, faced by the intransigeance of Nasa, Ting lobbied the US Congress, backed by Nobel laureates such as Steven Weinberg. "Ting may say little but when he wants something he can be very persuasive," says Steve Myers, Cern's director of accelerators. For his part, Weinberg was unequivocal. Results from the AMS would be the only significant science ever done on the space station. This device could make discoveries that are earth-shattering. Nasa chief Michael Griffin was hauled before a hearing in 2008. "It is almost like cutting off our nose to spite our face," said a dismayed Bill Nelson, the Democrat senator for Florida. A year later, Griffin was replaced by the current Nasa chief, Charles Bolden. "Five days later, we were back on the launch manifest for the space shuttle," says Pohl.

Finally, an act of Congress was passed to ensure that the AMS would be flown to the space station before the US shuttle fleet is grounded at the end of this year. This flight is currently scheduled to take place in July, on the penultimate shuttle launch, although Pohl has warned the AMS is unlikely to be ready until the end of the year, most probably on the shuttle's very last flight.

If so, it will make a dramatic finale for the space shuttle, for the AMS will provide scientists, for the first time, with a complex detector, stationed outside Earth's atmosphere, that will allow them to study high-energy particles in space. Anything could turn up in its detectors. As Sam Ting says: "We will be exploring whole new territories. The possibility for discovery is off the chart."