Física na Veia!

O LHC está de volta

Prof. Dulcidio Braz Júnior

Vídeo original publicado pelo CERN em 03 de junho de 2015

 

O LHC – Large Hadron Collider voltou a operar em sua segunda rodada que, como a primeira, promete fazer muito barulho no meio científico.

Você sabe do que estou falando, não sabe?  O LHC faz parte de um conjunto de aceleradores instalados no CERN – Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear que fica na fronteira entre a França e a Suíça. Trata-se da maior e mais complexa máquina científica de todos os tempos. Ele foi inaugurado em setembro 2008 e, mesmo operando abaixo da sua capacidade máxima, já fez história: rendeu Nobel de Física em 2013 para François Englert e Peter Higgs pela comprovação (em 2012) da existência do Bóson de Higgs, a última partícula que faltava para validar o Modelo Padrão de Partículas Elementares que previa um total de 61 partículas das quais 60 já haviam sido confirmadas. Lembrou? O Bóson de Higgs foi por muitos chamado de ''partícula de Deus'', nome horrível mas que, ainda que de maneira torta, ajudou a popularizar o que estava acontecendo de mais avançado em pesquisa em Física de Altas Energias, dando ''força'' à minha tese de que ''a Física é pop''.

A poderosa máquina, desenhada para ir ainda muito mais longe. ficou parada por quase dois anos para reparos e minucioso upgrade numa operação batizada de LS1 – Long Shutdown 1 que envolveu um batalhão de técnicos, engenheiros e físicos.

Religado no último mês, agora operando em 6,5 TeV por próton/feixe (ou 13 TeV por colisão próton-próton), o LHC já trabalha com feixes estáveis. E a melhor notícia dessa nova etapa: já começam a aparecer os primeiros registros de colisões bem-sucedidas nos principais experimentos (ATLAS , CMS , LHCb e ALICE).

O ATLASA Toroidal LHC ApparatuS e o CMSCompact Muon Solenoid foram desenhados, dentre outras coisas, para procurar e confirmar a existência do Bóson de Higgs. E cumpriram muitíssimo bem a missão! E ainda podem ir mais longe.

O LHCbLarge Hadron Collider beauty tem como meta principal tentar desvendar o segredo por trás da assimetria na gênese da matéria e da anti-matéria logo após o Big Bang. Se quantidades iguais de matéria e antimatéria tivessem sido criadas logo após o início do Universo, ambas teriam se aniquilado e dado lugar a apenas energia. O Universo seria somente um oceano de energia espalhada, muito diferente do que é hoje. Como o Universo é de matéria e evoluiu de forma bem diferente, fica a grande questão: o que teria acontecido com a antimatéria?

O ALICEA Large Ion Collider Experiment pretende registrar colisões de íons pesados que vão tentar simular como era o Universo imediatamente após o Big Bang. É uma situação conhecida no meio científico como ''sopa de quarks e glúons''. Vale lembrar que os quarks, partículas elementares, nunca foram observados livres. Eles estão sempre unidos de três em três para formar prótons e nêutrons, partículas muito estáveis, presentes no núcleo atômico e, portanto, tijolos fundamentais para a organização da matéria ordinária que tão bem conhecemos e da qual somos todos feitos. Também já foram observados quarks ''grudados'' de dois em dois formando partículas chamadas mésons.  Acredita-se que, antes da matéria se organizar como a conhecemos, quarks livres e glúons formavam esse caldo primordial. Antes que me esqueça, os glúons são as partículas mediadoras da força que ''cola'' os quarks para formar outras maiores, daí o nome glúon (cola, em inglês).

Cientistas ainda imaginam que com o LHC operando nessa nova etapa com mais energia talvez seja possível observar eventos que poderão trazer pistas sobre o que pode ser a matéria escura, matéria invisível em todas as faixas do espectro eletromagnético e por isso mesmo batizada de escura. Só sabemos da sua existência pelos efeitos gravitacionais que produz. Esse é um dos grandes enigmas da Cosmologia moderna.

A segunda rodada do LHC está só começando. Mas promete agitar a comunidade científica! Estou muito curioso para saber onde isso vai dar! E você?

 

Roteiro para ver o vídeo

DulcidioBrazJr_LINAC2

Minha visita ao LINAC 2, o primeiro estágio (de um total de cinco) do complexo de aceleradores do CERN que culmina no LHC.

 

O vídeo lá do topo do post, de autoria do CERN, publicado hoje, é bastante didático. E, em menos de 3 minutos, nos leva de carona com os prótons numa viagem por dentro do complexo de aceleradores do CERN.

Tive o prazer de conhecer o CERN e o LHC há cinco anos quando participei da Escola de Física do CERN 2010 . Por isso, a seguir, usando um pouco do que vi e aprendi, dou uma ajudazinha detalhando o que o vídeo mostra. Acho que isso vai ajudar você a entender melhor essa maravilha de esforço científico.

Estágio 0: onde tudo começa

O grande experimento começa numa garrafinha de hidrogênio, a fonte dos prótons.  O segredo está no Duoplasmatron, uma engenhoca que vista por fora parece uma panela de pressão mas que por dentro é pura tecnologia. O Duoplasmatron pega átomos de hidrogênio e, a partir de uma descarga elétrica, arranca deles o único elétron, deixando livre o caroço, literalmente o seu único próton.

CERN_LHC_Duoplasmatron

A fonte de prótons do complexo de aceleradores do CERN: a ''garrafinha (vermelha) de hidrogênio'', conectada ao Duoplasmatron, peça metálica logo abaixo (arquivo pessoal).

 

Estágio 1: o primeiro acelerador 

Os prótons, libertos do hidrogênio pelo Duoplasmatron, são  entregues ao LINAC 2, o único acelerador linear de todo o complexo e que literalmente os coloca pra correr. Ao final do corredor do LINAC 2 (veja foto abaixo) cada próton carrega energia de 50 MeV (50 ooo ooo eV) e tem velocidade equivalente a pouco mais de 30% da velocidade da luz no vácuo. Com essa velocidade, correções relativísticas já começam a ser necessárias.

O que acelera os prótons, conferindo-lhes mais energia cinética, é o campo elétrico do acelerador linear.

CERN_LHC_LINAC2

O LINAC2, o único acelerador linear de todo o complexo e que dá o pontapé inicial no movimento dos prótons provenientes do Duoplasmatron (arquivo pessoal).

 

Estágio 2: o segundo acelerador 

Ao sair do LINAC2 cada próton é injetado no PS Booster que, como o nome sugere, dá uma ''turbinada' no movimento dos prótons, acelerando-os até a energia de 1,4 GeV.

Chamo a sua atenção para o fato de que, ao final dessa segunda etapa de aceleração os prótons já têm quase 92% da velocidade da luz no vácuo! Por conta dos efeitos relativísticos, na medida em que se aproximam da velocidade da luz no vácuo, os prótons vão ficando cada vez com maior massa inercial. Isso vai dificultando o aumento da velocidade dos mesmos. Mas a energia de cada próton, a cada estágio, poderá crescer sempre mais, embora a velocidade vá crescer cada vez menos.

Observo também que, daqui para frente:

1) Todos os aceleradores/estágios são circulares. E o raio dos aceleradores vai crescendo. Nesse tipo de acelerador circular, o campo magnético criado por bobinas supercondutoras produz força radial que curva a trajetória dos prótons. Mas quem dá energia cinética cada vez maior aos prótons continua sendo o campo elétrico.

2) Não tenho fotos pessoais desses aceleradores circulares. Todos são subterrâneos e, quando em funcionamento, não permitem acesso ao local. Em 2010, quando estive por lá, o complexo estava trabalhando a todo vapor. Mas o vídeo vai dar para você uma ideia de como são esses tuneis dos aceleradores por dentro.

 

Estágio 3: o terceiro acelerador 

O terceiro acelerador, que vai empurrar os prótons conferindo-lhes ainda mais energia, é o Próton Synchrotron. Nesse estágio os prótons chegam à energia de 25 GeV (25 000 000 000 eV) e velocidade de 99,93% da velocidade da luz no vácuo.

Estágio 4: o quarto (e penúltimo) acelerador 

O penúltimo estágio acelerador ocorre no Super Proton Synchrotron onde os prótons atingem energia de 450 GeV ( 450 000 000 000 eV) para, finalmente, serem enjetados no quinto e último estágio, o LHC. Nesse ponto a velocidade dos prótons já é de 99,9998% da velocidade da luz no vácuo.

 

Estágio 5: o LHC  

O último estágio acelerador é o LHC propriamente dito que compreende um túnel de quase 27 km de extensão a 100 m de profundidade, encravado na rocha entre o lago de Genebra *Suíça) e o Monte Jura (França).

Repare que é nesse estágio que o feixe de prótons até então único é separado em dois feixes distintos que vão percorrer o anel em sentidos opostos.

No LHC os prótons poderão atingir a energia de 7 TeV (7 000 000 000 000 eV), o que equivale a uma incrível velocidade de 99,9999991% da velocidade da luz no vácuo!

Atualmente, pós LS1, a anergia de operação é de 6,5 TeV por próton/feixe (ou 13 TeV por colisão), ainda um pouco abaixo da capacidade máxima projetada para a máquina.

Dica: Se quiser saber como se calcula a energia cinética relativística dos prótons ao final de cada um dos cinco estágios de aceleração descritos acima, leia o post ''Reaberta a Temporada de Caça ao Bóson de Higgs  que criei com essa proposta didática específica. Dá para entender bem como a Teoria da Relatividade Restrita de Einstein se faz necessária nos aceleradores de partículas.

 

Por que ''Collider''? 

Você reparou que até aqui só falei da aceleração dos prótons, o que em minhas palestras (como nessa) costumo chamar de ''Efeito The Flash''? No LHC os prótons chegaram quase à velocidade da luz no vácuo. Para você ter uma ideia de quão rápido é isso, nessa velocidade incrível cada próton pode dar cerca de 11 000 voltas no anel de quase 27 km a cada 1 segundo! Incrível, não?

Mas o que há de mais importante nesse fantástico experimento científico e que justifica o nome ''Collider'' (colisor) é o que batizei carinhosamente de ''Efeito Chuck Norris'', ou seja, as colisões. A mais pura pancadaria de proton com proton (e futuramente entre íons pesados para tentar recriar a sopa primordial de quarks e glúons)! É exatamente por isso o feixe único inicial de prótons foi dividido em dois que viajam no anel do LHC em sentidos opostos. Em alguns pontos do anel feixes opostos vão se cruzar, propiciando as colisões.

CERN_LHC_Slide_palestra

Slide da palestra ''LHC: um passeio virtual pelo maior experimento científico de todos os tempos''.

 

Para você entender a importância de tanta energia por colisão, comparo os aceleradores de partículas a microscópios nos quais, quanto mais energia, menor o tamanho das coisas que podemos ''observar''. Com 3,5 TeV por próton/feixe (ou 7 TeV por colisão) já foi possível detectar o Bóson de Higgs. Mas os cientistas querem espiar as entranhas da matéria ainda mais a fundo. E por isso a máquina foi projetada para trabalhar com muito mais energia por colisão.

As colisões propriamente ditas acontecem em quatro sítios (ou experimentos) distribuídos ao longo dos quase 27 km do anel subterrâneo do LHC. Como já citei acima, esses quatro experimentos são o ATLAS, o CMS, o LHCb e o ALICE. Cada experimento tem seus detectores desenhados sob geometria e técnica precisas para analisar os eventos gerados nas colisões com foco em aspectos bem específicos e distintos. É mais ou menos como dizer que o LHC tem ''quatro olhos'' bem diferentes. Cada um dos olhos tenta ''ver'' os eventos de uma maneira distinta, escolhida a dedo pelos cientistas envolvidos no projeto da máquina.

CERN_LHC_Slide__palestra

Outro slide da palestra ''LHC: um passeio virtual pelo maior experimento científico de todos os tempos'', agora mostrando os quatro principais experimentos subterrâneos do LHC.

 

Dados, muitos dados… 

CERN_LHC_Caverna_CMS

Visitando a caverna do CMS. Cabos e mais cabos interligando os detectores de partículas a um complexo de computadores que analisam e registram os dados coletados nas colisões em tempo real. (arquivo pessoal)

A cada segundo, 600 milhões de colisões acontecem em média no LHC. Esses eventos são analisados em tempo real por um complexo sistema computacional. Somente os eventos consideradores relevantes são gravados para posterior análise.

Mesmo  eliminando eventos conhecidos e redundâncias, a quantidade de dados gravada é monstruosa. Um complexo sistema distribui os dados do LHC em rede para cientistas que cooperam com a pesquisa espalhados pelo mundo todo. Foi para conectar a comunidade científica mundial em rede que nasceu dentro do CERN o protocolo WWW usado na internet e doado para a comunidade. Confira toda a história nesse post.

Na imagem acima, em visita à caverna do CMS, a 100 de profundidade, e bem ao lado do anel do LHC, me deparei com uma infinidade de cabos conectando os sensores do detector a um complexo sistema de computadores dedicados. Parece uma grande bagunça. Mas na verdade há uma ordem severa por trás do caos. Tanto que tudo funciona perfeitamente bem, apesar da estética desfavorável.

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