CERN

Um minúsculo pedaço da grande máquina

Depois de 20 anos de trabalho pesado envolvendo físicos, engenheiros e técnicos de cerca de 80 países, além de muito dinheiro, ingrediente indispensável num projeto deste porte, começa a funcionar hoje, quarta-feira, 10 de setembro, o LHC - Large Hadron Collider (ou Grande Colisor de Hádrons). O teste com o primeiro feixe de prótons (first beam) está marcado para logo mais às 4h da manhã (horário de Brasília). 

O LHC é o maior acelerador de partículas construído pelo homem. O complexo fica no CERN - Organização Européia para Pesquisa Nuclear⁽¹⁾, na fronteira entre a França e a Suíça, e abriga um túnel em forma de anel (quase) circular que fica a cerca de 100 m abaixo da superfície e com quase 27 km de extensão (imagem abaixo).

lpsc.in2p3.fr

Complexo subterrâneo (clique para abrir versão maior)

É neste anel que feixes de íons e prótons serão acelerados até a incrível velocidade de 0.999999991c (99,9999991% da velocidade da luz no vácuo!). Só para lembrar, a velocidade da luz no vácuo é de 299.792.458 m/s, muito próxima de 300.000 km/s, valor "redondo" e mais fácil de memorizar e que também pode ser expresso em potências de dez como 3.10⁵ km/s = 3.10⁸ m/s. 

Nada pode atrapalhar a viagem das partículas dentro do anel. Toda a energia do feixe deve ser preservada. Nenhum obstáculo deve ficar na frente daqueles que vão voar dentro do tunel gigante. Nem mesmo as partículas de ar. Para tanto, o anel será praticamente esvaziado. Dentro dele a pressão cairá para apenas 10^-13 atm, ou seja, a minúscula fração de 0,0000000000001 da atmosfera do nosso planeta. É quase nada. Serão dois feixes de partículas injetados no acelerador e que vão viajar em sentidos opostos. Quando as partículas estiverem com velocidade máxima, ocorrerão colisões. Sensores espalhados pelo anel farão leituras das migalhas que vão sobrar desta trombada subatômica. Para não prejudicar a delicada leitura, a temperatura do sistema deverá ser baixada até cerca de -271 ^oC, quase zero absoluto⁽²⁾.

Este tipo de colisão de partículas funciona, na prática, como se você quisesse saber do que é feito um automóvel e não tivesse ferramentas para desmontá-lo e muito menos soubesse como ele foi montado. Então, você pega dois automóveis, os acelera em sentidos opostos,  e os coloca em rota de colisão. Registra o impacto e coleta informações sobre os fragmentos que vão "sobrar" da batida. Em outras palavras, você vai desmontar os automóveis na marra. E, quanto mais energia os automóveis tiverem, quanto mais forte for a colisão, menores serão as partes de automóvel obtidas e, portanto, maiores os detalhes sobre cada componente dos veículos.

É mais ou menos isso que os cientistas farão. E querem ir muito longe, a ponto de reproduzir condições muito parecidas ao que supomos ter existido nos primeiros instantes do nosso Universo, imediatamente após o momento inicial, o Big Bang⁽³⁾. Espera-se que assim seja possível reconstituir a história do surgimento da matéria no Universo. E, entendendo esse verdadeiro LEGO em microescala, poderemos também entender todo o Universo em grande escala. É por isso que os experimentos do LHC interessam aos físicos de partículas tanto quanto aos cosmólogos.

:: O que são os hádrons, o "H" do LHC?

No Modelo Padrão⁽⁴⁾ temos duas famílias distintas de partículas subatômicas: Léptons e Hádrons.

Léptons são partículas extranucleares e que não participam da coesão nuclear, ou seja, nada tem a ver com a força nuclear forte, nome que damos à força que mantém o núcleo estável. Elétrons pertencem à família dos Léptons. Veja na tabela abaixo alguns Léptons.

"Tópicos de Física Moderna", D. Braz Jr, Cia da Escola

Hádrons são partículas que participam da coesão nuclear e, portanto, são encontrados no núcleo. Também existem isoladamente fora do núcleo atômico. Prótons são Hádrons. Veja na tabela abaixo alguns Hádrons. 

"Tópicos de Física Moderna", D. Braz Jr, Cia da Escola
 

No LHC, as partículas aceleradas são prótons ou íons, ou seja, basicamente Hádrons, daí o H na sigla do LHC.

:: Os experimentos que compõem o LHC

Ao longo do anel de quase 27 km já estão instalados quatro dos seis experimentos (detectores) que vão compor o complexo:

• ATLAS é o detector "gigante", composto de oito magnetos supercondutores⁽⁵⁾, destinado a estudar desde o Bóson de Higgs⁽⁶⁾ até a Supersimetria e as dimensões extras, as dimensões que extrapolam as quatro dimensões (três espaciais e uma temporal).
• O CMS tem a mesma função do ATLAS, mas usa uma técnica diferente. Ele vai trabalhar com um solenóide supercondutor capaz de gerar um campo magnético de 4T (tesla), cerca de 100 000 vezes maior do que o campo magnético da Terra.
• ALICE vai estudar as propriedades do plasma de quarks-glúons, um estado pré-matéria onde quarks⁽⁷⁾ e glúons⁽⁸⁾, em condições de altas temperaturas e densidades muito elevadas, existiam antes mesmo da formação dos prótons e dos nêutrons, imediatamente após o Big Bang.
• LHCb vai estudar a assimetria entre a matéria e a anti-matéria e tentar responder porque no nosso Universo a matéria supera a anti-matéria.

Ainda serão instalados o LHCf (Large Hadron Collider forward), um pequeno experimento que irá medir partículas produzidas na colisão bem próximas à direção dos feixes com o objetivo de testar modelos ligados aos raios cósmicos⁽⁹⁾ de altas energias, e o TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement) que pretende medir o tamanho efetivo da sessão de choque dos prótons no LHC.

:: O diferencial: a energia cinética dos feixes relativísticos

Em comparação com outros aceleradores de partículas, o LHC bate em todos e sem pena. Quando estiver em pleno funcionamento, o feixe de prótons será acelerado até uma energia cinética de 7Tev (na colisão serão dois feixes e, portanto, 7 + 7 = 14TeV). Existem alguns aspectos físicos importantes sobre esta cifra energética. Veja:

I) O que significa uma energia de 7Tev?
Em primeiro lugar, o prefixo tera (T) quer dizer 10¹². É mil vezes o valor do prefixo giga (G) que é de 10⁹.
E 1eV é a energia que uma partícula com carga elementar q = e = 1,602.10^-19 C, como o próton, adquire ao ser acelerada por uma diferença de potencial U = 1V. Fazendo a conta em joules, unidade mais comum do Sistema Internacional, teremos:

1 eV = q.U = 1,602.10^-19 C x 1V = 1,602.10^-19 J

Hoje, no first beam, a energia chegará a "apenas" 450 Gev. A ideia é ir aumentando a energia do feixe aos poucos e testar, com segurança, o comportamento da máquina. Levará mais ou menos um ano para que o experimento funcione a todo o vapor. 

II) Velocidade alta é sinônimo de Relatividade

A energia cinética de um corpo com massa m e velocidade v é calculada, pela Mecânica Clássica, usando a seguinte equação:

Mas esta fórmula só vale para velocidades  v muito menores do que a velocidade c da luz (v << c).

Para velocidades altas, não desprezíveis em relação à velocidade da luz, uma correção relativística é necessária. Quem faz isso é o fator de Lorentz, o gama na equação abaixo:

Note que, na expressão acima, se v é desprezível em relação ao valor de c, o fator gama dá 1. Não existe correção a ser feita. 

Mas no caso das partículas do LHC o valor do fator de correção será:

Dá muito maior do que 1, ou seja, temos que apelar incondicionalmente para a Teoria da Relatividade Restrita de Albert Einstein (1879-1955) que prevê que, mesmo parado, um corpo tem energia, chamada energia de repouso, dada por:

Na expressão acima m₀ é a massa de repouso, a massa que o corpo tem quando está parado. Quando entra em movimento a sua massa inercial aumenta pelo fator de Lorentz (m = g.m₀) e assim teremos uma energia maior dada por:

Substituindo o fator de Lorentz na expressão acima encontramos:

Em movimento, a energia extra que parece é a energia cinética relativística E_C. Assim, E = E₀ + E_C, ou seja:

A exressão acima pode ser simplificada em:

É desta forma (relativística) que a energia cinética do feixe de partículas do LHC deve ser calculada, incluindo a correção feita pelo fator gama de Lorentz.

A massa de repouso do próton vale m₀ = 1,67.10^-27 kg = 0,938 GeV/c^{2 (8)}. 

A tabela abaixo mostra a energia cinética dos prótons relativísticos no LHC nos diferentes aceleradores (partes) da grande máquina. Veja que em cada acelerador a velocidade do próton vai crescendo e atingindo uma porcentagem maior da velocidade c da luz. Somente no estágio final, no anel principal do LHC, é que a energia de cada próton chegará a 7TeV. No teste de hoje os prótons vão sair do SPS (anel secundário) com energia de "apenas" 450GeV e serão injetados no anel principal onde, sem nenhuma aceleração extra, será feita uma verificação verificado se o feixe consegue dar uma volta completa nos quase 27 km do anel principal, sem perdas.

:: O que tudo isso tem a ver com o "fim do mundo"?

Se você está lendo esse texto agora significa que o mundo "ainda" não acabou. Mas, como os experimentos do LHC vão recriar condições primitivas do nosso Universo, como a que havia imediatamente após o Big Bang, muitos cientistas temem pelas sérias consequências que um possível descontrole sobre os experimentos pudesse causar.

Há quem imagine que um mini buraco negro possa ser criado e vá para o centro da Terra. Sem controle, ele pode começar a engolir tudo o que existe no nosso planeta, e depois no sistema solar, na galáxia e, por fim, no Universo todo! Há ainda quem imagine que o experimento será realizado num nível tão elementar que talvez seja possível encontrar o monopólo magnético. Na prática os pólos magnéticos opostos, chamados de "pólo norte" e "pólo sul", andam juntos. Nunca ninguém conseguiu separá-los. Mas, uma vez separados, se os cientistas perderem o controle da situação, o que poderia de fato acontecer? Que objeto estranho poderia ser criado?

Os defensores do LHC dizem que as chances de algo dar errado são infinitamente pequenas. Cada detalhe do LHC foi estudado, calculado e recalculado inúmeras vezes. A margem de erro está, portanto, minimizada nos limites de total segurança. Mas ainda assim há quem diga que mesmo sendo pequena a probabilidade de algo dar errado, só existe uma única chance de acabar com o Universo. E ninguém em sã consciência vai querer queimar esse cartucho único, vai?

Pessoalmente, acho muito pretensioso alguém acreditar que o homem, neste estágio de evolução ainda tão baixo, consiga fazer uma máquina capaz de criar outros universos. Penso que o homem ainda esteja muitíssimo distante dessa façanha. Portanto, vou dormir tranqüilo e acordar bem cedo não somente para saber como foi o first beam do LHC mas, principalmente, procurar colocar em dia os meus compromissos porque o mundo não vai acabar. Hoje, com certeza não. E, por causa do LHC, não me parece também muito provável. Nem hoje e nem nunca.

:: Enquanto o mundo não acaba...

Você pode aproveitar os seus "últimos momentos" neste Universo e cantar/dançar o rap do LHC que foi composto/produzido pela jornalista Kate McAlpine que, como especialista em ciência, resolveu apelar para a música para ensinar de forma didática e divertida o que é e o que faz esta grande máquina aceleradora.

Clique aqui e, em matéria do UOL Ciência e Saúde, veja a letra traduzida do rap.

• Veja infográfico da Estação UOL Ciência e Saúde.
• Visite o site do LHC e fique por dentro das novidades
• Clique na imagem abaixo para baixar o LHC Guide, um guia completíssimo sobre o LHC (PDF de 60 páginas em inglês).
  
• Visite o Aventura das Partículas, site que também aborda de forma bastante simples e didática o Modelo Padrão. Esta versão, em português, está hospedada no site da UNESP - Universidade Estadual Paulista.
• Veja entrevista com o cientista Otto Rössler que adverte sobre possíveis conseqüências destrutivas da atividade do LHC (por Emília Rojas Sasse/Deutsche Welle)