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3 [A] Lugar mais frio da galáxia (- 71 o C) [B] Um dos lugares mais quentes no Universo ( o C) [C] Mais vazio que o espaço exterior [D] O maior número de eletroímãs high tech já construídos [E] O maior e mais complexo instrumento eletrônico do planeta

4 ATLAS CMS

5 CERN CONTROL CENTRE

6 macro micro Como podemos ver/estudar objetos em escalas de tamanho tão diferentes? Ano Energia Escala observada 1930 ~ 100 kev m 1950 ~ 100 MeV m 1970 ~ 100 GeV m TeV m 010 ~ 10 TeV m 030??

7 Força de Lorentz F qe qv B REGRA DA MÃO ESQUERDA O campo elétrico não é estático. Cavidades de RF fazem as partículas carregadas surfarem na crista de uma onda. Força elétrica Empurra a partícula para frente Força magnética Puxa a partícula de lado, curvando a sua trajetória qvb v m r r mv qb

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9 Anel de 7 km (a rigor, 6659 m), a 100 m de profundidade. O mesmo túnel do LEP (Large Electron-Positron Collider) que operou entre 1988 e 000, só que com energias aproximadamente 70 vezes menores. P8 P1 P P5

10 Cada um dos dois feixes terá 808 pacotes com cerca de 1, prótons/pacote, ou seja, ~3, prótons/feixe. Os feixes viajam em sentidos opostos dentro do anel com velocidade V = 0, c. km S V t N 7km 0, s N voltas / s s F F V V V = 99, % de c!

11 3 (dos 5) dados incríveis sobre o LHC [A] Lugar mais frio da galáxia (- 71 o C) [B] Um dos lugares mais quentes no Universo ( o C) [C] Mais vazio que o espaço exterior [D] O maior número de eletroímãs high tech já construídos [E] O maior e mais complexo instrumento eletrônico do planeta Cerca de 9600 eletroimãs produzem campos magnéticos que guiam e focalizam os prótons no anel, funcionado como lentes magnéticas. [D] Estes campos magnéticos podem chegar a 8,3 T, da ordem de 10 5 vezes o campo magnético natural da Terra (0, T = 0,5 G) Cabos feitos com fios de espessura 0,007 mm, mais finos que um fio de cabelo, e com comprimento total suficiente para 5 viagens de ida e volta da Terra ao Sol com uma sobra para mais algumas viagens menores de ida e volta à Lua. Material supercondutor, liga de titânio e nióbio (NbTi) com T C = 10 K para suportar correntes elétricas de quase 1000 A sem Efeito Joule. Refrigeração em dois estágios: nitrogênio líquido (77K = o C) e hélio líquido (1,9 K = 71 o C). [A]

12 L R A 3 (dos 5) dados incríveis sobre o LHC [A] Lugar mais frio da galáxia (- 71 o C) [B] Um dos lugares mais quentes no Universo ( o C) T 10K [C] Mais vazio que o espaço exterior 0 [D] O maior número de eletroímãs high tech já construídos [E] O maior e mais complexo instrumento eletrônico do planeta Cerca de 9600 eletroimãs produzem campos magnéticos que guiam e focalizam os prótons no anel, funcionado como lentes magnéticas. [D] Estes campos magnéticos podem chegar a 8,3 T, da ordem de 10 5 vezes o campo magnético natural da Terra (0, T = 0,5 G) Cabos feitos com fios de espessura 0,007 mm, mais finos que um fio de cabelo, e com comprimento total suficiente para 5 viagens de ida e volta da Terra ao Sol com uma sobra para mais algumas viagens menores de ida e volta à Lua. Material supercondutor, liga de titânio e nióbio (NbTi) com T C = 10 K para suportar correntes elétricas de quase 1000 A sem Efeito Joule. Refrigeração em dois estágios: nitrogênio líquido (77K = o C) e hélio líquido (1,9 K = 71 o C). [A]

13 3 (dos 5) dados incríveis sobre o LHC [A] Lugar mais frio da galáxia (- 71 o C) [B] Um dos lugares mais quentes no Universo ( o C) [C] Mais vazio que o espaço exterior [D] O maior número de eletroímãs high tech já construídos [E] O maior e mais complexo instrumento eletrônico do planeta Como já comentamos, os prótons no anel viajam com velocidade enorme (V = 0, c). Nenhum obstáculo, por menor que seja, pode estar no caminho destas partículas que não podem perder a energia que ganharam! Portanto, na tubulação por onde correm é feito vácuo. A pressão interna nestes tubos de circulação de prótons é p = atm (10 vezes menor do que a pressão na superfície da Lua). Estes tubos são mais vazios que o espaço exterior. [C]

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15 Os prótons saem de uma garrafa contendo hidrogênio que é ionizado por uma descarga elétrica. Simples! Duoplasmatron Proton Ion Source

16 Os prótons saem de uma garrafa contendo hidrogênio que é ionizado por uma descarga elétrica. Simples! Duoplasmatron Proton Ion Source LINAC

17 LINAC BOOSTER PS SPS LHC

18 v v c Estamos num mundo Relativístico? E os prótons acelerados do LHC com velocidade 0, c?! v m m 0 m 1 1 v² c² m 0 Mesmo com uma força resultante R contínua, como a massa m aumenta com a velocidade v, fica cada vez mais difícil acelerar o corpo. Para v c temos m. A partir daí o corpo não pode mais ser acelerado! c é a velocidade limite!

19 SI usual m m m E m c kg kg kg m N m J [ ] [ ] [ ] Múltiplos [ E] ev 3 1keV 1 10 ev s s s E q V 1, 6.10 C 1V 1, 6.10 C 1 1, 6.10 J 1eV 6 1MeV 1 10 ev J C 9 1 1GeV 1 10 ev 1TeV 1 10 ev Múltiplos usual [ m] [ E] [] c [ m] ev c [ m] kev c [ m] MeV c [ m] GeV c [ m] TeV c Equivalência 1 GeV c ,6 10 m (3 10 ) s J Massa de repouso do próton , m 9 10 s 9 19 m J 1, m kg s m s 1, kg 0,938 GeV c ,78 10 kg

20 1 1 v c EC ( 1) m c 0 m 0,938 GeV c 0 Acelerador Velocidade Energia (% de c) Linac 31,4 1,05 50 MeV PS Booster 91,6,49 1,4 GeV PS 99,93 6,73 5 GeV SPS 99, , GeV LHC 99, ,31 7 TeV 9 ev 6 E ( 1) 0, c ( 1) ev C c E (1, 05 1) ev 50MeV Linac 6 6 C Booster 6 9 E (, 49 1) , 4 10 ev 1, 4GeV C E PS C 6 9 (6,73 1) ev 5 GeV SPS 6 9 E (500 1) ev 450GeV C LHC 6 1 E (769,31 1) ev 7TeV C Atualmente o LHC opera a 3,5 TeV por feixe (50% da sua capacidade).

21 Acelerar Efeito The Flash Colidir Efeito Chuck Norris voltas/s a 0, c = 14 TeV LHC LHC = Large Hadron Collider

22 O LHC está preparado para ver as partículas subatômicas resultantes das colisões em quatro experimentos posicionados em quatro sítios (cavernas) ao longo do anel. Cada experimento tem um arranjo tridimensional de detectores especialmente desenhado com uma finalidade bem específica. Portanto, são quatro diferentes olhares para as possíveis colisões e seus produtos. Suíça França

23 ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) Comprimento: 44m Diâmetro: m Massa: kg

24 CMS (Compact Muon Solenoid) Comprimento: 1,5 m Diâmetro: 15 m Massa: kg

25 LHCb (Large Hadron Collider beauty) Comprimento: 1 m Altura: 10 m Largura: 13 m

26 ALICE (A Large Ion Collider Experiment) Comprimento: 6 m Altura: 16 m Massa: kg Mais (dos 5) dados incríveis sobre o LHC [A] Lugar mais frio da galáxia (- 71 o C) [B] Um dos lugares mais quentes no Universo ( o C) [C] Mais vazio que o espaço exterior [D] O maior número de eletroímãs high tech já construídos [E] O maior e mais complexo instrumento eletrônico do planeta

27 Taxa de colisões p-p: 600 milhões/s ( ~ colisões/s). Cada colisão é um evento onde são produzidas centenas de partículas de massas variadas, o que equivale a cerca de 1 MB de informação. Logo, temos x B, ou seja, B/s. 1 DVD tem capacidade de 4,7 GB = 4, B. A taxa de produção de informações equivale a cerca de DVD/s! Como lidar com isso? Um sistema de trigger (baseado em hardware e software) monitora os eventos em tempo real e grava apenas os relevantes. Mesmo assim, em todos os experimentos juntos: ~ B/ano Worldwide LHC Computing Grid (WLCG) agrega cerca de 140 centros computacionais em 33 diferentes países para dar conta de tanta informação. O CERN é o nascedouro do protocolo WWW.

28 ATLAS CMS 1800 físicos 34 países diferentes LHCb UFRJ 700 físicos 37 países diferentes CBPF, UERJ e UNESP ALICE 600 físicos 13 países diferentes CBPF e UFRJ 1000 físicos 30 países diferentes USP e UNICAMP

29 ATLAS CMS ATLAS e CMS são experimentos de caráter mais geral. Embora com técnicas diferentes, procuram o Bóson de Higgs, evidências da Supersimetria, dimensões extras e candidatos à matéria escura. Bóson de Higgs num evento simulado Peter Higgs 73 % energia escura 0,4 % estrelas,... 3 % matéria escura 3,6 % material interestelar

30 LHCb Estudando eventos com quarks do tipo b vai tentar entender de onde vem a assimetria entre a matéria e a anti-matéria.

31 ALICE Colidindo núcleos de chumbo vai tentar dissolver prótons e nêutrons desconfinando os quarks num estado conhecido como plasma de quarks e gluons, algo que suspeita-se existia logo após o t 0 do Universo (Big Bang). Revista Ciência Hoje volume Simulação de colisão de núcleos de chumbo

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33 IMPORTANTE Estes são alguns dos slides da palestra Um Passeio Virtual Pelo LHC apresentada na Campus Party 01 (São Paulo, Brasil). Eles podem ser usados para fim de divulgação científica, estudos, e qualquer outra atividade didática desde que sem fins comerciais e mantidas as informações de autoria. As imagens neles contidas são do meu arquivo pessoal ou dos sites do CERN, LHC e experimentos (ATLAS, CMS, ALICE e LHCb). Portanto, não podem ser reproduzidas sem prévia autorização do(s) autor(es). 33