::: REABERTA A 'TEMPORADA DE CAÇA' AO BÓSON DE HIGGS :::

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First stable beams of 2012 (ontem). Clique para ver maior.


O LHC - Large Hadron Collider, acelerador/colisor de prótons que fica na fronteira entre a França e a Suíça e é operado pelo CERN - Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear, está funcionando novamente.

Depois de uma parada técnica desde o final do ano passado, o equipamento voltou a operar. No início da madrugada de ontem (5 de abril, horário de Genebra) o equipamento confirmou "first stable beams of 2012",  ou seja, os primeiros feixes estáveis do ano de 2012. E agora o equipamento opera com 4000 GeV de energia por próton (4.10GeV = 4.103.109 eV = 4.1012 eV = 4 TeV) . Embora tenha sido projetado para operar com energia cinética máxima de 7 TeV por próton, o acelerador até 2011 havia atingido somente 50% da sua capacidade.

A máquina gigante trabalha com dois feixes de prótons que poderão viajar a até 0,999999991c ou 99,9999991 % de c ( c é a velocidade da luz no vácuo). Os feixes viajam em sentidos opostos, dentro de um anel de quase 27 km de extensão e que fica encravado na rocha a 100 m de profundidade. Cada próton, de cada feixe, por enquanto vai viajar a uma velocidade ligeiramente mais baixa (pelo menos ao longo de 2012) carregando a energia de 4 TeV. Isso significa que em cada colisão teremos 4 + 4 = 8 TeV de energia, o que já é uma marca de energia nunca antes conseguida em nenhum outro experimento do gênero.

Os físicos acreditam que, com esta energia recorde, já em 2012 possa ser possível registrar uma enorme quantidade de eventos capazes de ratificar a existência do Bóson de Higgs, partícula responsável por conferir massa às outras partículas. O Bóson de Higgs, proposto nos anos 60 do século passado pelo inglês Peter Higgs, é única partícula que falta para ser confirmada de um total de 61 previstas pelo Standard Model ou Modelo Padrão de Partículas Elementares.

Se o Bóson de Higgs for detectado, será  a última tacada de um jogo incrível de sucesso que já dura algumas décadas. Mas, se os físicos não encontrarem a partícula de Higgs, a Física estará numa boa encrenca pois terá que resolver o problema da massa por um outro mecanismo. Se der a segunda opção, nem por isso vamos associar fracasso ao episódio e sim encarar os fatos como apenas uma etapa a ser vencida na pesquisa. Trabalhar com ciência é sempre assim: está dando certo, vamos em frente; não está dando mais certo, mudamos o rumo, e vamos em frente. O importante é sempre caminhar adiante!

Mas o clima de positivismo impera entre os pesquisadores que acreditam que 2012 tenha tudo para entrar para a história  da física de partículas como o ano de Higgs. Vamos aguardar, acompanhando tudo em tempo real! O Fìsica na Veia estará ligado aos experimentos do LHC e documentando tudo o que puder aparecer de novidade. 

 

:: O Complexo de Aceleradores do CERN


LINAC 2, onde os prótons começam a ser acelerados


LHC é o quinto e último estágio de aceleração dos prótons que faz parte de um complexo maior de aceleradores do CERN que pode ser vista na imagem abaixo.

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Complexo de aceleradores do CERN. Clique para abrir versão maior.

 

A sequência dos quatro aceleradores até chegar no LHC (quinto estágio) é a seguinte:

  1. Tudo começa no LINAC 2, o único acelerador linear do sistema que tira os prótons do repouso e os leva a 0,314c (ou 31,4% de c).
    Observação: Estes prótons são obtidos pela ionização de hidrogênio que perde seu único elétron depois de levar um "choque elétrico".
  2. Em seguida os prótons são injetados no Booster, um acelerador circular pequeno (157 m de diâmetro) onde vão adquirir velocidade de 0,916c (ou 91,6% de c) . 
  3. O terceiro estágio, que recebe os prótons vindos do Booster, é o PS, também circular e maior (630 m de circunferência). Nesta etapa os prótons são levados a 0,9993c (ou 99,93% de c). 
  4. E mais uma vez os prótons trocam de acelerador para ganhar mais energia passando para o SPS, outro estágio circular, agora bem maior (6,9 km), onde chegam a 0,999998c (ou 99,9998% de c). 
  5. Depois de divididos em dois feixes os prótons são injetados no LHC, o estágio final, com 27 km de circunferência, que poderá (quando estiver operando com sua máxima capacidade) levar os prótons até a incrível velocidade de 0,999999991c (ou 99,9999991% de c). 

Com se pode notar nos números acima, quanto mais perto de c (velocidade da luz no vácuo) chegam os prótons, mais difícil vai ficando de acelerá-los. Isso se deve ao fato de que, pela Relatividade Restrita de Einstein, a inércia de um corpo (no caso dos prótons) aumenta com a sua velocidade. Por isso, quanto maior a velocidade do próton, maior a sua massa inercial e, portanto, mais energia é necessária para continuar acelerando-o.

Se o próton (ou qualquer corpo dotado de massa) chegar à velocidade da luz no vácuo, sua inércia será infinita! E por isso mesmo não poderá mais ser acelerado! É esse "freio" natural relativístico que impede que qualquer corpo dotado de massa possa ultrapassar a velocidade c da luz no vácuo! É por isso que fala-se tanto que a velocidade da luz no vácuo é um limite superior de velocidade para qualquer corpo massivo no Universo! Entendeu?

Podemos estimar a energia de cada próton em cada um dos cinco estágios de aceleração acima descritos usando Relatividade Restrita de Einstein.

Para Einstein, qualquer corpo, mesmo parado, encerra uma quantidade de energia chamada energia de repouso E0. Esta energia de repouso está relacionada à massa de respouso mque é a massa do corpo quando ele ainda está parado. Veja:

Mas, se o corpo for acelerado e atingir velocidade v não deprezível em relação à c (velocidade da luz no vácuo), sua massa inercial crescerá e passará a ter um valor m que é maior do que m0 por um fator γ conhecido como Fator de Lorentz:

onde

A nova energia do corpo (agora com movimento) será:

Note que esta nova energia E é a energia que o corpo já tinha (E0) acrescida da energia que ganhou por adquirir movimento, ou seja, da energia cinética ( EC).

Podemos, pela expressão acima, calcular o valor da energia cinética relativística EC  explicitando os valores de E e  E0 em função das massas inerciais (m e  m0) e da velocidade c da luz. Veja:

Reescrevendo a expressão acima, substituindo m em função de γ e de  m0 teremos:

Colocando  m0.c² em evidência chegamos finalmente a:

 

que nos dá a expressão para a energia cinética relativísitica Ede um corpo qualquer. No nosso caso estamos falando de prótons acelerados que, quando em repouso, possuem m= 0,938 GeV/c². 

Conhecendo a velocidade destes prótons ao final de cada estágio acelerador, podemos estimar o valor de γ. Veja:

... e assim por diante!

Preenchemos a tabela a seguir com os valores de γ calculados segundo a lógica acima.

Tendo os valores de γ calculados e tabelados, agora é só usar a expressão de  EC obtida e teremos a energia cinética relativística de cada próton ao final de cada estágio. Confira:


.... e assim por diante.

 

Agora podemos preencher a coluna de energia (cinética) da tabela.

 

É curioso notar que cada novo estágio acelerador do CERN foi construído com a intenção de dar mais energia às partículas já aceleradas. Cada novo estágio é um upgrade no que já existia anteriormente! E essa mania de querer cada vez mais energia deve-se ao fato de que num acelerador de partículas, quanto mais energia, menor é o tamanho da partícula que pode ser produzida. Em outras palavras, com mais energia, podemos "observar" uma escala de tamanho ainda menor. A tabela abaixo mostra a evolução temporal da energia dos aceleradores e o correspondente fator de escala do comprimento "observável" das patículas oriundas das colisões.

Com valores recorde de energia cinética das partículas nunca antes conseguidos em aceleradores, o LHC é uma promessa de "enxergar" mais a fundo as entranhas da matéria! Deu para entender?

Não deixe de ver o vídeo abaixo que é bastante didático e ilustra o processo de cinco estágios de aceleração com as energias que calculamos logo acima. 


Monitore o LHC em tempo real

 

  • Você pode acompanhar as atividades do  LHC em tempo real através da Web Tools. Experimente!

 

Já publicado aqui no Física na Veia!


Veja também:

  • Cobertura em tempo real da minha participação na Escola de Física do CERN em 2010 direto de Genebra. Tive o privilégio de conhecer o LHC de perto e aprender um pouco mais sobre a Física das partículas elementares lá no CERN.
  • Índice especial de posts sobre o CERN e o LHC

 





Um forte abraço. E Física na Veia!
prof. Dulcidio Braz Júnior (@Dulcidio)
às 16h58





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Dulcidio Braz Jr
Físico/Professor, 49 anos

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