ACELERADOR DE PARTÍCULAS

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1 ACELERADOR DE PARTÍCULAS Vinicios Velasques Pinheiro 1 Roberto Aguilar de Souza Junior 2 1 Resumo Nesse artigo propomos um melhor entendimento sobre aceleradores de partículas e seus anexos, através de varias linhas de pesquisas montadas em um único artigo de fácil compreensão. Esse artigo faz um esclarecimento, para facilitar o entendimento, sobre oque são, como funcionam e para que servem os aceleradores de partículas, fazendo um resumo sobre o maior laboratório de física do mundo(cern) e o maior acelerador de partículas do mundo(lhc),juntamente com seus experimentos e suas descobertas como o bóson de Higgs. Os aceleradores de partículas podem ajudar a compreender do que o Universo foi formado e como isso ocorreu, por isso os cientistas físicos construíram o LHC, que pode acelerar partículas a velocidades extremas e as fazer colidirem para formar uma miniatura do Big Bang e descobrir novas subpartículas. O artigo apenas propõe uma melhor interpretação sobre os aceleradores de partículas e seus afins, não favorecendo nenhuma teoria sobre a origem do Universo. Palavras-chave: Acelerador de partículas; Bóson de Higgs; LHC. 2 Introdução Os aceleradores de partículas são equipamentos que fornecem energia a feixes de partículas subatómicas eletricamente carregadas. Todos os aceleradores de partículas possibilitam a concentração de alta energia em pequeno volume e em posições arbitradas e controladas de forma precisa. Graça aos aceleradores de partículas os astrofísicos descobriram o bóson de Higgs, que ajuda a intender mais um pouco a origem do Universo. Quanto mais forte for a energia do acelerador mais descobriremos do que a matéria é feita, melhorando a compreensão do Big Bang. 1 Estudante do 1º ano do Ensino Médio. [email protected] 2 Possui graduação em Matemática pela Sociedade de Cultura e Educação do Litoral Sul (2012), Pós graduação em Educação Matemática pela Unisanta (2014). [email protected]

2 Como você descobriria como é uma laranja por dentro sem poder cortá-la? Atirando uma pedra contra ela ou a jogando na parede, quanto mais forte for esse impacto mais a laranja vai se espatifar, então você poderá ver o bagaço, o suco, a semente, ou seja, quanto mais forte esse impacto da laranja contra a parede mais você aprende sobre a laranja, é isso que os aceleradores de partículas fazem, eles pegam os prótons e fazem-nos girarem em sentido horário e anti-horário, e então, eles usam imãs para forçarem esses prótons que estão em sentido contrário colidirem de cabeça, como uma laranja contra a parede ou uma laranja contra outra. (GLEISER, Marcelo, 2012) 3 Desenvolvimento 3.1 UM ACELERADOR DE PARTÍCULAS DE CASA Os tubos de raios cátodos (CRT) de qualquer TV ou monitor de computador é, na verdade, um acelerador de partículas. O CRT pega as partículas (elétrons) do cátodo, acelera-as, e muda sua direção usando eletroímãs no vácuo. Depois, as faz colidir em moléculas de fósforo na tela. O resultado da colisão é um ponto de luz, ou um pixel, na sua TV ou no monitor do computador. Um acelerador de partículas funciona do mesmo modo, exceto que os aceleradores são muito maiores, as partículas se movem muito mais rápido (quase na velocidade da luz) e a colisão resulta em mais partículas subatômicas e em vários tipos de radiação nuclear. As partículas são aceleradas por ondas eletromagnéticas dentro do aparelho, quase do mesmo modo que um surfista é empurrado pela onda. Quanto mais energéticas as partículas, mais visível fica a estrutura da matéria. É como espalhar as bolas dispostas no triângulo de bolas do jogo de bilhar. Quando o taco (partícula energizada) aumenta a velocidade, ele recebe mais energia e então pode espalhar melhor as bolas (liberando mais partículas). Existem dois tipos básicos de aceleradores de partículas: Linear - as partículas viajam por um caminho longo e reto e colidem com o alvo. Circular - as partículas viajam ao redor de um círculo até colidirem com o alvo. Nos aceleradores lineares, as partículas viajam no vácuo ao longo de um tubo de cobre. Os elétrons acompanham as ondas criadas pelos geradores de ondas chamados de clístrons. Os eletroímãs mantêm as partículas confinadas em um feixe

3 estreito. Quando o feixe de partículas atinge um alvo no final do túnel, vários detectores registram os eventos: as partículas subatômicas e a radiação liberada. Estes aceleradores são enormes, e são mantidos no subsolo. Um exemplo de acelerador linear é o linac no Laboratório de Acelerador Linear de Stanford (SLAC) na Califórnia, que tem cerca de 3 km de comprimento. Aceleradores circulares fazem basicamente a mesma coisa que os linacs. Entretanto, ao invés de usarem um caminho linear longo, impulsionam as partículas, muitas vezes, ao redor de um caminho circular. A cada passo, o campo magnético é intensificado para que o feixe de partículas acelere com cada passo consecutivo. Quando as partículas estão em sua energia mais alta ou desejada, um alvo é colocado no caminho do feixe, nos detectores ou próximo a eles. Os aceleradores circulares foram os primeiros tipos de aceleradores inventados em Na verdade, o primeiro cíclotron tinha apenas 10 cm de diâmetro. O primeiro acelerador de partículas (cíclotron) desenvolvido por Ernest O. Lawrence, em 1929 O cíclotron de Lawrence usava ímãs em forma de D (chamado de Dee) separados por um pequeno espaço vazio. Os ímãs produziam um campo magnético circular. Uma voltagem oscilante criava um campo elétrico através do espaço vazio para acelerar as partículas (íons) a cada volta. Como as partículas se moviam rapidamente, os raios de seus caminhos circulares se tornavam maiores até que atingissem o alvo no círculo mais externo. O cíclotron de Lawrence era eficaz, mas não podia alcançar as energias dos aceleradores. Para quê servem? Para os cientistas entenderem melhor os mais ínfimos componentes da matéria. Os quarks, por exemplo, que formam prótons e nêutrons, só foi descoberto em aceleradores. Só com esse tipo de equipamento é possível quebrar partículas incrivelmente densas e milhões de vezes menores que o átomo. Por um lado, dá para dizer que os aceleradores são uma espécie de gigantesco microscópio, já que permitem ao observador saber o que há dentro das menores partículas. Por outro, podem ser considerados um tipo de máquina do tempo. Afinal, eles nos mostram do que era composto o universo antes de os próprios átomos terem se formado. Outra função desse sofisticado equipamento é pesquisar o que

4 acontece no mundo das velocidades relativísticas - assim chamadas por causa da Teoria da Relatividade, criada pelo grande físico alemão Albert Einstein ( ). A famosa teoria prevê acontecimentos bizarros para a matéria caso sua velocidade chegue próxima à da luz. Nessas condições, as partículas ficam com massa 20 vezes maior e vivem dez vezes mais tempo. Para um múon, tipo de partícula que vive só dois milionésimos de segundo, isso é pouco. Mas se fosse possível manter um ser humano a essa velocidade ele teoricamente viveria quase anos! Enfim, apenas os grandes aceleradores são capazes de trazer para a prática esse mundo pra lá de estranho das teorias físicas. 3.2 CERN CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) é o maior laboratório de estudo de física de partículas no Mundo, localizado na fronteira entre Suíça e França, o laboratório tem uma das mais importantes ferramentas do mundo para o estudo de partículas, o LHC (large Hadrons Collider ou em português O grande colisor de Hádrons), um gigante acelerador de partículas com aproximadamente27 km de circunferência, onde acontecem pesquisas sobre, por exemplo, o bóson de Higgs, ou, o estudo da Anti-matéria. É no CERN que milhares de físicos, estudantes, entre outros da área de pesquisas do mundo todo se reúnem, estudam e pesquisam na área de física de partículas. Atualmente no CERN trabalham cerca de 2500 funcionários efetivos em conjunto com mais de 10 mil cientistas, engenheiros estudantes, que representam diversas nacionalidades, cerca de 100 nacionalidades. 3.3 ALGUNS EXPERIMENTOS ACE The Antiproton Cell Experiment, o experimento foca a união, com a formação de um time internacional de físicos, biólogos e médicos para estudar o efeito biológico da ação dos anti-prótons. AEGIS Utiliza um feixe de anti-prótons de um desacelerador de anti-prótons para medirmos valores da aceleração gravitacional na terra. ALICE Parte do LHC, usado para detectar o plasma de Quark-Gluon, um estado da matéria que só foi formado após o Big Bang.

5 ALPHA Faz, captura e estuda os átomos de anti-hidrogênio e compara os mesmo com átomos comuns de hidrogênio. MAS O Espectrômetro alfa-magnético procura por matéria negra, Anti-matéria e matéria desaparecida a partir deum modulo na estação espacial internacional. ASACUSA O ASACUSA compara matéria e Anti-matéria usando átomos de hélio anti-protôico e anti-hidrogênio, e estuda as propriedades da colisão entre matéria e anti-matéria. ATLAS É um dos dois detectores do LHC (Large Hádrons Collider). Ele investiga uma larga quantidade de partículas a procura de, por exemplo, o Bóson de Higgs ou partículas que podem gerar a matéria negra. CMS O Compact Muon Solenoid é também um dos detectores do LHC. Desempenhando o mesmo papel que o ATLAS, porém de meios técnicos diferentes o CMS analisa feixes de partículas a procura do Bóson de Higgs, de partículas extra dimensionais entre outras. LHCb O grande colisor de Hádrons b (vem de Beauty, ou Large Hádrons Collider beauty) investiga diferença entre a matéria e a anti-matéria, estudando um tipo de partícula chamada b quark ou beauty quark. 3.4 LHC O LHC é um dos experimentos do CERN (Organização Europeia para Pesquisa Nuclear). No ano de 2008, o mundo inteiro voltou a sua atenção para o maior acelerador de partículas do mundo, o LHC, sigla que vem do inglês Large Hadron Collider, que pode ser traduzido como Grande Colisor Elétron-Pósitron. No entanto, ele é muito conhecido também como a máquina do Big Bang, pois por meio dele os cientistas querem recriar condições muito similares as que existiam logo após o Big Bang em termos de temperatura e densidade extremas. Ele pode atingir temperaturas na ordem de -271,9 ºC com o uso de 10 mil toneladas de nitrogênio líquido. O LHC fica na periferia da cidade de Genebra, na Suíça, sendo formado por um enorme tubo circular com circunferência de 26,7 km e diâmetro de 7 m; é subterrâneo, ficando a cerca de 100 m abaixo do solo. Ele se encontra no maior

6 complexo científico do mundo e sua construção envolveu milhares de cientistas, com duração de 20 anos e custou 10 bilhões de dólares. Assim como os outros tipos de aceleradores de partículas, o seu funcionamento inicial consiste em acelerar partículas com carga elétrica, que, no caso, são prótons ou núcleos atômicos de íons de chumbo. Essa aceleração é realizada por meio de campo elétrico. Há também um campo magnético para colimar até velocidades muito próximas à velocidade da luz, que é a velocidade limite. Diagrama do LHC, figura 1 Um feixe é acelerado e passa a rodar em uma direção do anel, enquanto que outro feixe acelerado roda na direção oposta. Até que, no momento certo, elas colidem no âmago dos detectores de partículas, o Atlas e o CMS, os corpúsculos que nascem desta explosão disseminam-se por todas as partes e são então apanhados por estes aparelhos, os quais são compostos por diversos estratos de sensores sobrepostos, encarregados de mensurar a carga energética gerada e de investigar sua trajetória. Estima-se que, nesse acelerador, as partículas darão voltas por segundo e irão gerar 15 milhões de gigabytes de dados por ano.

7 É por isso que os cientistas creem que vale a pena tanto trabalho, pois eles poderão encontrar partículas que ainda não foram observadas e passarão a entender melhor alguns dados do Universo e quem sabe até mesmo da matéria escura que o domina. 3.4 BÓSON DE HIGGS O bóson de Higgs foi revelado no dia 4 de julho, após dois detectadores identificarem sua presença no Grande Colisor de Hádrons (LHC), e provisoriamente confirmada em 14 de março de A descoberta do Bóson de Higgs foi eleita pela revista Science como o achado científico mais importante de O Bóson explica como outras partículas elementares, como elétrons e quarks, ganham massa, e era a última peça que faltava para confirmar o modelo padrão, teoria que explica como as partículas interagem para formar a matéria do Universo. O bóson de Higgs é uma partícula subatômica descrita pelo físico Peter Higgs em A faixa energética de procura do bóson foi se estreitando e, em dezembro de 2011, limites energéticos se encontram entre as faixas de GeV, segundo a equipe ATLAS, e entre 115 e 127 GeV de acordo com o CMS. Em 4 de julho de 2012, anunciou-se que uma partícula desconhecida e com massa entre 125 e 127 GeV/c 2. Em março de 2013, provou-se que a partícula se comportava, interagia e decaía de acordo com as várias formas preditas pelo Modelo Padrão, além de provisoriamente provar-se que ela possuía paridade positiva e spin nulo, dois atributos fundamentais de um bóson de Higgs, indicando fortemente a existência da partícula. O Higgs é importante porque a existência dele provaria que existe um campo invisível que permeia o universo. Sem o campo, ou algo parecido, nada do que conhecemos existiria. Os cientistas não esperavam detectar o campo, mas sim uma pequena deformação nele, chamada bóson de Higgs. 3.5 QUAL É A ORIGEM DA EXPRESSÃO 'PARTÍCULA DE DEUS'? Décadas de trabalho têm sido dedicadas à busca por uma partícula subatômica denominada bóson de Higgs, também conhecida como "partícula de Deus, e que pode ter sido ao menos detectada, afirmaram cientistas do Centro Europeu de

8 Pesquisa Nuclear (Cern, na sigla em francês). Mas, de onde vem o nome "partícula de Deus"? O bóson de Higgs recebeu este nome em homenagem ao físico britânico Peter Higgs. Higgs teve a ideia enquanto caminhava fim de semana pelas Montanhas Cairngorm, na Escócia. Quando retornou ao laboratório, ele disse aos seus colegas ter tido sua "grande ideia" e encontrado uma resposta para o enigma de por que a matéria tem massa. Embora a partícula leve o nome de Higgs, importantes trabalhos teóricos também foram desenvolvidos pelos físicos belgas Robert Brout e François Englert. O bóson de Higgs ficou conhecido como "partícula de Deus", porque, assim como Deus, estaria em todas as partes, mas é difícil de definir. Mas a real origem é bem menos poética. A expressão vem de um livro do físico ganhador do prêmio Nobel Leon Lederman, cujo esboço de título era "A Partícula Maldita" ("The Goddamn Particle", no original), em alusão às frustrações de tentar encontrá-la. O título foi, depois, cortado para "A Partícula de Deus" por seu editor, aparentemente temeroso de que a palavra "maldita" fosse ofensiva. 3.6 EVIDÊNCIAS DO BÓSON E O MODELO PADRÃO Bruno Mansoulie, físico do Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (Cern, na sigla em francês), disse a jornalistas, em Genebra, que o grande acelerador de partículas europeu "reduziu a janela na qual os cientistas acreditam que encontrarão o bóson de Higgs". A sustentação para esta busca é o desejo de preencher a maior lacuna do Modelo Padrão, uma das principais teorias das partículas subatômicas. O Modelo Padrão da física de partículas é uma teoria que descreve as forças fundamentais forte, fraca e eletromagnética, 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. Entretanto, o Modelo Padrão não é uma teoria completa das interações fundamentais, em primeiro lugar porque não descreve a gravidade, mesmo assim, O Modelo Padrão é a melhor

9 descrição do mundo subatômico. Existem outras, mas nenhuma que tenha tido tanto sucesso em experimentos para prever e descrever as partículas e as forças de suas interações. Modelo Padrão, figura 2. Todos os modelos teóricos que explicam como as partículas funcionam trabalham com a ideia de que elas não têm massa. Segundo os cientistas, elas só passariam a ter massa quando entrasse em contato com o campo de Higgs, algo que preencheria todo o Universo e seria o responsável por "transmitir a massa". O bóson de Higgs seria uma partícula necessária para esse campo existir, ou seja, ele seria o elemento crucial que permitiria ao Homem compreender como se corporifica a massa em meio a toda energia que configura o Cosmos. Daí ele ser denominado pelos estudiosos a Partícula de Deus. Esta teoria propiciou certo avanço à Ciência, pois antes era crença geral ver os átomos como diminutos corpos essenciais da matéria, impossíveis de fracionar, mas logo os pesquisadores perceberam que, na verdade, eles eram fruto da ação recíproca entre corpúsculos ainda menores, como quarks, léptons, férmions e bósons. São ao todo 16 as partículas básicas 12 compostas de matéria e 4 condutoras de energia.

10 Apesar, no entanto, destas descobertas, este Modelo é limitado, pois nenhum destes pequenos corpos apresenta massa quando são considerados em si mesmos, portanto não há como explicar, ainda, de onde procede a qualidade material do Universo. Assim, esta teoria só dá conta da matéria comum, que pode ser percebida sensorialmente pelo ser humano. De acordo com a teoria, o campo de Higgs foi ligado um trilionésimo de segundo depois que o Big Bang iniciou a criação do universo. Antes desse momento, nenhuma partícula tinha massa e elas vagavam caoticamente na velocidade da luz. Quando o campo de Higgs foi ligado, algumas partículas começaram a sentir uma espécie de arrasto à medida que se movimentavam como se estivessem presas em uma cola cósmica. Ao se apoiar nas partículas, o campo deu a elas massa, fazendo com que elas se movessem mais devagar. Esse momento foi crucial na formação do universo porque permitiu que as partículas se reunissem e formassem todos os átomos e moléculas que existem atualmente. Mas o campo de Higgs é seletivo. Partículas da luz, os fótons, se movem pelo campo como se ele não existisse. Como o campo não se apoia sobre os fótons, as partículas ficam sem peso e destinadas a se mover por aí na velocidade da luz para sempre. Outras partículas, como os quarks e os elétrons, são influenciadas pelo campo e ganham massa no processo. A partícula chamada Bóson de Higgs é de fato o quantum (partícula) de um dos componentes de um campo de Higgs. No espaço vazio, o campo de Higgs adquire um valor diferente de zero, que permeia a cada lugar no universo todo o tempo. Este valor da expectativa do vácuo (VEV) do campo de Higgs é constante e igual a 246 GeV. A existência deste VEV diferente de zero tem um papel fundamental: dá a massa a cada partícula elementar, incluindo o próprio bóson de Higgs. No detalhe, a aquisição de um VEV diferente de zero quebra espontaneamente a simetria de calibre da força eletrofraca, um fenômeno conhecido como o mecanismo de Higgs. Este é o único mecanismo conhecido capaz de dar a massa aos bóson de calibre (partículas transportadoras de força) que é também compatível com teorias do calibre. No modelo padrão, o campo de Higgs consiste em dois campos carregados neutros e dois componentes, um do ponto zero e os campos componentes carregados são os

11 bósons de Goldstone. Transformam os componentes longitudinais do terceiropolarizador dos bósons maciços de W e de Z. O quantum do componente neutro restante corresponde ao bóson maciço de Higgs. Como o campo de Higgs é um campo escalar, o bóson de Higgs tem a rotação zero. Isto significa que esta partícula não tem nenhum momentum angular intrínseco e que uma coleção de bósons de Higgs satisfaz as estatísticas de Bose-Einstein. O modelo padrão não prediz o valor da massa do bóson de Higgs. Discutiu-se que se a massa do bóson de Higgs se encontra, aproximadamente, entre 130 e 190 GeV, então o modelo padrão pode ser válido em escalas da energia toda a forma até a escala de Planck (TeV 1016). Muitos modelos de super-simetria prediziam que o bóson de Higgs teria uma massa somente ligeiramente acima dos limites experimentais atuais e ao redor 120 GeV ou menos. As experiências mais recentes mostram que sua massa está em torno de 125 GeV/c 2. 4 Conclusão Depois da invenção dos aceleradores de partículas os pesquisadores físicos já avançaram muito na pesquisa sobre a origem do Universo, como o bóson de Higgs, e com o aumento da potencia do LHC os astrofísicos poderão descobrir uma nova partícula e conseguir completar sucessivamente o Modelo Padrão para achar finalmente a origem do universo.

12 5 BIBLIOGRAFIA Disponível em: < s>. Acesso em: (01 set. 2016). Disponível em: < Acesso em: (02 set. 2016). Disponível em: < em:(02 set. 2016). Disponível em: < Particulas/ html>>. (03 set. 2016). Disponível em: < (03 set. 2016).