A experiência física no acelerador de partículas - Por Celso Alvear

Vivemos a civilização da energia. A trilha da história daqui por diante passa por este assunto. Por isso resolvi fazer esta postagem um tanto longa para um blog e que trata de um fato relevante para a física da partícula e para o trato com altas concentrações de energia. Daí muitas respostas para o futuro tanto em termos de energia quanto da matéria. Matéria significa materiais e, portanto, tecnologia e esta progresso material (ou concentração de renda).

Trata-se da experiência feita nesta semana no espetacular Colisor de Hádrons em Genebra. O texto foi preparado, a meu pedido e exclusivamente para os blogs da região pelo Professor Celso Alvear, um físico téorico, com doutorado na Inglaterra e pós na Itália, autor de inúmeros ensaios sobre partículas na Universidade Federal do Rio de Janeiro. Amanhã publicarei uma pequena parte, também escrita por ele sobre ciência e religião. Isso é importante, dada a tendência de muita gente querer traduzir escritos regiliosos através de publicações científicas.

A notícia dos jornais:

GENEBRA - O Grande Colisor de Hádrons (LHC) bateu um novo recorde nesta terça-feira. O acelerador de partículas conseguiu produzir a colisão de dois feixes de prótons a 7 Tera elétron-volts (7 Tev), provocando cerca de 30 colisões nucleares por segundo. Estes choques - que atingem uma temperatura 100 mil vezes superior à do Sol - desencadeiam o surgimento da matéria. Seu estudo permitirá a solução de inúmeros enigmas, como a definição do que compõe 95% da massa do Universo.


O equipamento, cuja construção custou aproximadamente US$ 10 bilhões foi desligado nove dias depois de seu lançamento, em setembro de 2008, por problemas de superaquecimento. O reparo custou mais US$ 40 milhões e o LHC retomou suas atividades em 2009. No fim do ano o equipamento já havia atingido a marca de 2,36 Tev , se tornando então o acelerador de partículas de energia mais alta do mundo.


Dez dias atrás, dois feixes de partículas começaram a percorrer, em direções opostas, o túnel oval, a uma energia de 3,5 Tev (três vezes maior do que o recorde registrado anteriormente).

Objetivos da experiência:

* Recriar condições próximas a formação do universo (Big Bang), segundo as teorias hoje aceitas.
* Encontrar o bóson de Higgs que poderia explicar a origem da massa das partículas conhecidas.
* Explorar o conceito físico de super-simetria que exploraria o fato da matéria visível representar apenas 4% do universo. O restante consiste de 23% de matéria negra e 73% de energia negra.

O histórico da experiência e detalhes teóricos:

Nos últimos 100 anos, os cientistas tem aprofundado seus conhecimentos sobre os constituintes da matéria. Os primeiros passos vieram com as investigações de Thomson sobre o elétron ao final do século 19. Então, no início de 1900, Ernest Ruteford ejetou partículas alfa ( núcleos contendo 2 protons e 2 neutrons) em átomos de ouro a fim de sondar a estrutura do núcleo. Atualmente, os físicos usam aceleradores de partículas para levar estas partículas até velocidades próximas à velocidade da luz antes de colidi-las com outras partículas.


Esses aceleradores cresceram no laboratório e atualmente são construídas em enormes túneis subterrâneos do tamanho de uma pequena cidade. As energias das partículas permitem aos cientistas recriar as condições que existiam perto do início do Universo. Desta forma, eles são capazes de detectar algumas das partículas que existiam antes da ´sopa primordial´ do Universo ter esfriado suficiente de modo a permitir que essas partículas se ligassem para se tornar o que hoje encontramos na natureza. O uso destes aceleradores levou a descrição atual da estrutura de prótons e nêutrons baseado na teoria dos quarks, que os físicos desenvolveram para explicar a existência dos mesmos.

Como funcionam os aceleradores?

Em um acelerador linear, os elétrons passam por uma série de eletrodos. Para os elétrons serem mantidos acelerados eles devem estar sempre deixando um eletrodo negativo e em direção a um positivo. Por conseguinte, as tensões sobre os eletrodos têm de ser mudadas assim que os elétrons passam por cada um deles, ou seja, B tem que se tornar negativo em relação a C e assim por diante.



Os elétrons estão viajando perto da velocidade da luz (300,000 km/s). Assim, as tensões devem ser trocadas muito rapidamente. A frequência da tensão alternada é de algumas centenas de kilohertz (uma freqüência de rádio). Observe que eletrodo D está a uma distância maior do eletrodo B. Isso ocorre porque os elétrons estarão mais rápidos no tempo que eles atingirem D. Então, se eles vão levar o mesmo tempo entre C e D, o percurso tem que ser mais longo.


O maior acelerador linear de Stanford, na Califórnia no E.U.A.. tem 3 km de comprimento e possui uma tensão de aceleração eficaz de apenas 30 de GV (trinta mil milhões de volts). Para obter mais aceleração os aceleradores deveriam ser gigantescos. Vamos ver como podemos acelerar (e manter aceleradas) partículas em um síncrotron usando uma distância muito menor.

Síncrotrons:

Síncrotrons são atualmente os aceleradores de partículas usados para a colisões de alta energia. Eles são extremamente flexíveis em suas aplicações. Elas podem ser usadas para partículas positiva ou negativa e para matéria e antimatéria.


O princípio do síncrotron é bastante simples - embora sua implementação não seja tão simples. A luz síncrotron é como um acelerador linear, que foi torcido em um círculo, formando uma espécie de forma de rosca. As partículas carregadas são forçadas a girar devido a ação de campos magnéticos perpendiculares a trajetória do feixe.

Cada vez que os prótons vão ao redor do círculo, os eletrodos os aceleram (assim como em um acelerador linear). As tensões sobre esses eletrodos têm que ser trocados constantemente ao longo de modo que os prótons estão sempre viajando de um eletrodo positivo para uma imagem negativa . No entanto, a taxa na qual as tensões são trocadas não pode ser constante. A medida que os próton são acelerados, eles gastam menos tempo entre os eletrodos. Assim as tensões têm que ser trocados mais rapidamente. Além disso, o campo magnético tem que ser maior porque uma maior força é necessária para manter os elétrons mais rápidos na mesma órbita.


Tanto o aumento da freqüência da tensão e aumentar o campo magnético têm de ser sincronizados com os prótons de alta velocidade. Assim, este acelerador é chamado um síncrotron.

A busca por novas partículas:

O objetivo de aceleradores de partículas é sondar mais profundo e mais profundo no assunto. Às vezes, os pesquisadores estão tentando encontrar novas partículas que têm sido propostos pela teoria. Quando as partículas de alta energia colidem em um acelerador, eles se quebram e formam novas partículas .

Os físicos monitoram as trajetórias das partículas que são produzidas na região das colisões .



Observe que algumas das faixas são curvas. Estas são as faixas de partículas carregadas que se movem através de um campo magnético. A partir da curvatura das pistas, os físicos podem detectar os diferentes tipos de partículas. Eles podem então deduzir quais partículas fizeram as outras trajetórias. Às vezes, eles têm de realizar milhares de experiências antes da colisão desejadas acontecerem. Eles usam computadores para analisar os resultados e descartar aquelas que não mostram nada de novo.


Uma das razões para a utilização de grandes quantidades de energia é tentar transformar essa energia em novas partículas massivas. No início do século 20, Alberto Einstein mostrou que massa e energia são equivalentes e estão relacionadas pela equação E = mc2


Quando duas partículas colidem entre si, eles vão quebrar e muitas vezes formam novas partículas. Surpreendentemente, as novas partículas podem às vezes ter uma massa maior que as partículas originais. Isso acontece porque parte da energia da colisão se tornou parte da massa das novas partículas.


Isto é como disparar um ovo contra um outro e produzir um omelete de três ovos (as energias combinadas cinética dos ovos teria de ser enorme - o equivalente à massa de um ovo extra multiplicado pela velocidade da luz ao quadrado - cerca de 10 16joules ).


Por exemplo, a teoria da força fraca inclui partículas chamadas partículas de campo W. Estas partículas têm uma massa cerca de 90 a 100 vezes a de um próton. Na natureza, elas existem como partículas virtuais por um tempo extremamente curtos durante um decaimento beta (quando um nêutron se transforma em um próton). O desafio para os físicos, foi para tentar criar estas partículas como partículas reais em um acelerador. Eles fizeram isso colidindo prótons com antiprótons usando enormes energias.


Utilizando alvos se movendo em direções opostas, eles foram capazes de aumentar a energia da colisão. Assim, na analogia de ovo, se a energia dos ovos é dobrada então seria possível produzir uma omelete de quatro ovos.


A energia cinética na colisão teve de ser equivalente à massa-energia das partículas W. Eles conseguiram produzir W (e Z) partículas no início de 1980. Isto confirmou a teoria de que havia previsto sua existência e para uma melhor compreensão da física de partículas.


A razão pela qual se busca uma energia tão grande no LHC é porque agora eles estão em busca de uma partícula muito mais evasiva.

O boson de Higgs:

O bóson de Higgs foi predito primeiramente em 1964 pelo físico britânico Peter Higgs, trabalhando as idéias de Philip Anderson. O bóson de Higgs é uma partícula elementar escalar com massa entre 115 e 150 GeV/c2 , sendo a única das partículas, previstas pelo modelo padrão da física, ainda não detectada até o momento.


(O modelo padrão da física de partículas é uma teoria que descreve as forças fundamentais fortes, fracas, e eletromagnéticas, bem como as partículas fundamentais que constituem toda a matéria. Desenvolvida entre 1970 e 1973, é uma teoria quântica de campos, consistente com a mecânica quântica e a relatividade especial. Para demonstrar sua importância, quase todos os testes experimentais das três forças descritas pelo modelo padrão concordaram com as suas predições)


Sua detecção experimental poderia explicar a origem da massa no universo. O bóson de Higgs explicaria a diferença entre o fóton, sem massa, que media o eletromagnetismo, e os bósons massivos W e Z que mediam a força fraca. Caso ele exista, terá um efeito enorme no nosso mundo. Até hoje, nenhuma experiência detectou diretamente a existência do bóson de Higgs, mas já existe alguma evidência indireta de sua existência.