p O LHC é o acelerador de partículas mais ambicioso e poderoso construído até hoje. Milhares de cientistas de centenas de países estão trabalhando juntos - e competindo entre si - para fazer novas descobertas. Seis locais ao longo da circunferência do LHC coletam dados para diferentes experimentos. Alguns desses experimentos se sobrepõem, e os cientistas tentarão ser os primeiros a descobrir novas informações importantes. p O objetivo do Grande Colisor de Hádrons é aumentar nosso conhecimento sobre o universo. Embora as descobertas que os cientistas farão possam levar a aplicações práticas no futuro, essa não é a razão pela qual centenas de cientistas e engenheiros construíram o LHC. É uma máquina construída para aumentar nosso entendimento. Considerando que o LHC custa bilhões de dólares e requer a cooperação de vários países, a ausência de uma aplicação prática pode ser surpreendente. p O que os cientistas esperam encontrar usando o LHC? Continue lendo para descobrir. p p
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p A partícula do bóson de Higgs pode responder a perguntas sobre a massa. Por que a matéria tem massa? Os cientistas identificaram partículas que não têm massa, tal como neutrinos . Por que um tipo de partícula deveria ter massa e outro não? Os cientistas propuseram muitas idéias para explicar a existência da massa. O mais simples deles é o mecanismo de Higgs. Essa teoria diz que pode haver uma partícula e uma força mediadora correspondente que explicaria por que algumas partículas têm massa. A partícula teórica nunca foi observada e pode nem mesmo existir. Alguns cientistas esperam que os eventos criados pelo LHC também revelem evidências da existência da partícula do bóson de Higgs. Outros esperam que os eventos forneçam dicas de novas informações que ainda não consideramos. p Outra questão que os cientistas têm sobre a matéria diz respeito às primeiras condições do universo. Durante os primeiros momentos do universo, matéria e energia estavam acopladas. Logo após a separação da matéria e da energia, partículas de matéria e antimatéria aniquilaram-se mutuamente. Se houvesse uma quantidade igual de matéria e antimatéria, os dois tipos de partículas teriam se cancelado. Mas, felizmente para nós, havia um pouco mais de matéria do que antimatéria no universo. Os cientistas esperam poder observar a antimatéria durante os eventos do LHC. Isso pode nos ajudar a entender por que havia uma diferença minúscula na quantidade de matéria versus antimatéria quando o universo começou. p Matéria escura também pode desempenhar um papel importante na pesquisa do LHC. Nossa compreensão atual do universo sugere que a matéria que podemos observar representa apenas cerca de 4 por cento de toda a matéria que deve existir. Quando olhamos para o movimento de galáxias e outros corpos celestes, vemos que seus movimentos sugerem que há muito mais matéria no universo do que podemos detectar. Os cientistas chamaram esse material indetectável de matéria escura. Juntos, a matéria observável e a matéria escura podem representar cerca de 25% do universo. Os outros três quartos viriam de uma força chamada energia escura , uma energia hipotética que contribui para a expansão do universo. Os cientistas esperam que seus experimentos forneçam mais evidências da existência de matéria escura e energia escura ou forneçam evidências que possam apoiar uma teoria alternativa. p Essa é apenas a ponta do iceberg da física de partículas, no entanto. Existem coisas ainda mais exóticas e contra-intuitivas que o LHC pode revelar. Como o quê? Descubra na próxima seção. Big Bang em pequena escala
Ao esmagar prótons juntos com força e rapidez, o LHC fará com que os prótons se dividam em menores subpartículas atômicas . Essas minúsculas subpartículas são muito instáveis e existem apenas por uma fração de segundo antes de se decomporem ou se recombinarem com outras subpartículas. Mas de acordo com a teoria do Big Bang, toda a matéria no universo primitivo consistia nessas minúsculas subpartículas. À medida que o universo se expandia e esfriava, essas partículas combinadas para formar partículas maiores, como prótons e nêutrons.
p Alguns cientistas criticaram a teoria das cordas, dizendo que não há evidências para apoiar a teoria em si. A teoria das cordas incorpora a gravidade ao modelo padrão - algo que os cientistas não podem fazer sem uma teoria adicional. Ele reconcilia a teoria da relatividade geral de Einstein com a Teoria Quântica de Campos . Mas ainda não há prova de que essas strings existam. Eles são muito pequenos para serem observados e, atualmente, não há como testá-los. Isso levou alguns cientistas a rejeitar a teoria das cordas mais como uma filosofia do que como uma ciência. p Os teóricos das cordas esperam que o LHC mude a opinião dos críticos. Eles estão procurando por sinais de supersimetria . De acordo com o modelo padrão, cada partícula tem uma antipartícula. Por exemplo, a antipartícula para um elétron (uma partícula com carga negativa) é um pósitron . A supersimetria propõe que as partículas também têm superparceiros , que, por sua vez, têm suas próprias contrapartes. Isso significa que cada partícula tem três contra-partículas. Embora não tenhamos visto nenhuma indicação desses superparceiros na natureza, os teóricos esperam que o LHC prove que eles realmente existem. Potencialmente, as superpartículas podem explicar a matéria escura ou ajudar a ajustar a gravidade no modelo padrão geral. p p Qual é o tamanho do LHC? Quanta energia vai usar? Quanto custou para construir? Descubra na próxima seção. Tudo o que sabe está errado
Muitos dos cientistas que trabalham com o projeto do LHC admitem prontamente que não têm certeza do que acontecerá quando a máquina começar a funcionar. Isso porque nunca houve um acelerador de partículas tão poderoso quanto o LHC. O melhor que qualquer cientista pode fazer é fornecer uma estimativa fundamentada. Vários dos cientistas também afirmam que ficariam felizes se as evidências que o LHC gera contradizem suas expectativas, pois isso significaria que haveria ainda mais para aprender.
p Falando em aspiradores, os feixes de prótons dentro do LHC viajam através de tubos no que o CERN chama de "vácuo ultra-alto". A razão para criar esse vácuo é evitar a introdução de partículas com as quais os prótons possam colidir antes de atingirem os pontos de colisão adequados. Mesmo uma única molécula de gás pode causar o fracasso de um experimento. p Existem seis áreas ao longo da circunferência do LHC onde os engenheiros poderão realizar experimentos. Pense em cada área como se fosse um microscópio com uma câmera digital. Alguns desses microscópios são enormes - o experimento ATLAS é um dispositivo com 45 metros (147,6 pés) de comprimento, 25 metros (82 pés) de altura e pesa 7, 000 toneladas (5, 443 toneladas métricas) [fonte:ATLAS]. Uma visão geral dos experimentos do Grande Colisor de Hádrons Imagem cortesia do CERN p O LHC e os experimentos conectados a ele contêm cerca de 150 milhões de sensores. Esses sensores irão coletar dados e enviá-los para vários sistemas de computação. De acordo com o CERN, a quantidade de dados coletados durante os experimentos será de cerca de 700 megabytes por segundo (MB / s). Em uma base anual, isso significa que o LHC reunirá cerca de 15 petabytes de dados. Um petabyte é um milhão de gigabytes. Essa quantidade de dados pode preencher 100, 000 DVDs [fonte:CERN]. p É preciso muita energia para operar o LHC. O CERN estima que o consumo anual de energia para o colisor será de cerca de 800, 000 megawatts-hora (MWh). Poderia ter sido muito maior, mas a instalação não funcionará durante os meses de inverno. De acordo com o CERN, o preço de toda essa energia será de 19 milhões de euros. São quase US $ 30 milhões por ano em contas de eletricidade para uma instalação que custou mais de US $ 6 bilhões para ser construída [fonte:CERN]! p O que exatamente acontece durante um experimento? Continue lendo para descobrir. O que é mais frio do que ser legal?
Por que resfriar os ímãs até um pouco acima da temperatura de zero absoluto? Nessa temperatura, os eletroímãs podem operar sem qualquer resistência elétrica. O LHC usa 10, 800 toneladas (9, 798 toneladas métricas) de nitrogênio líquido para resfriar os ímãs até 80 graus Kelvin (-193,2 Celsius ou -315,67 Fahrenheit). Em seguida, ele usa cerca de 60 toneladas (54 toneladas métricas) de hélio líquido para resfriá-los no restante do caminho [fonte:CERN].
p Vamos dar uma olhada na vida de um próton à medida que ele passa pelo processo do LHC. Primeiro, os cientistas precisam retirar os elétrons dos átomos de hidrogênio para produzir prótons. Então, os prótons entram no LINAC2 , uma máquina que dispara feixes de prótons em um acelerador chamado de PS Booster . Essas máquinas usam dispositivos chamados cavidades de radiofrequência para acelerar os prótons. As cavidades contêm um campo elétrico de radiofrequência que empurra os feixes de prótons a velocidades mais altas. Imãs gigantes produzem os campos magnéticos necessários para manter os feixes de prótons no caminho certo. Em termos de carro, pense nas cavidades de radiofrequência como um acelerador e os ímãs como um volante p Uma vez que um feixe de prótons atinge o nível de energia certo, o PS Booster injeta em outro acelerador chamado de Super Proton Synchotron (SPS) . Os feixes continuam ganhando velocidade. Por enquanto, vigas foram divididas em cachos . Cada cacho contém 1,1 x 10 11 prótons, e há 2, 808 cachos por viga [fonte:CERN]. O SPS injeta feixes no LHC, com um feixe viajando no sentido horário e o outro no sentido anti-horário. p Dentro do LHC, os feixes continuam a acelerar. Isso leva cerca de 20 minutos. Na velocidade máxima, as vigas perfazem 11, 245 viagens ao redor do LHC a cada segundo. Os dois feixes convergem em um dos seis locais de detecção posicionados ao longo do LHC. Nessa posição, haverá 600 milhões de colisões por segundo [fonte:CERN]. p Quando dois prótons colidem, eles se dividem em partículas ainda menores. Isso inclui partículas subatômicas chamadas quarks e uma força mitigadora chamada gluon . Quarks são muito instáveis e se deterioram em uma fração de segundo. Os detectores coletam informações rastreando o caminho das partículas subatômicas. Em seguida, os detectores enviam dados para uma grade de sistemas de computador. p Nem todo próton colidirá com outro próton. Mesmo com uma máquina tão avançada como o LHC, é impossível direcionar feixes de partículas tão pequenas quanto prótons para que cada partícula colida com outra. Os prótons que não colidem continuarão no feixe para uma seção de despejo do feixe. Lá, uma seção feita de grafite absorverá o feixe. As seções de despejo de vigas são capazes de absorver vigas se algo der errado dentro do LHC. Para aprender mais sobre a mecânica por trás dos aceleradores de partículas, dê uma olhada em Como funcionam os Atom Smashers. p O LHC possui seis detectores posicionados ao longo de sua circunferência. O que esses detectores fazem e como funcionam? Descubra na próxima seção. Mais partículas
Os eventos dentro do LHC também produzirão fótons (as partículas de luz), pósitrons (antipartículas para elétrons) e múons (partículas carregadas negativamente que são mais pesadas que elétrons).
p O detector ATLAS também possui um espectrômetro de múon . Os múons são partículas com carga negativa 200 vezes mais pesadas do que os elétrons. Os múons podem viajar através de um calorímetro sem parar - é o único tipo de partícula que pode fazer isso. O espectrômetro mede o momento de cada múon com sensores de partículas carregadas. Esses sensores podem detectar flutuações no campo magnético do detector ATLAS. p o Solenóide de Muon Compacto (CMS) é outro grande detector. Como o detector ATLAS, o CMS é um detector de uso geral que detecta e mede as subpartículas liberadas durante as colisões. O detector está dentro de um ímã solenóide gigante que pode criar um campo magnético de quase 100, 000 vezes mais forte que o campo magnético da Terra [fonte:CMS]. p Então há ALICE, que significa Um grande experimento com colisor de íons . Os engenheiros projetaram o ALICE para estudar as colisões entre íons de ferro. Ao colidir íons de ferro em alta energia, os cientistas esperam recriar condições semelhantes àquelas logo após o big bang. Eles esperam ver os íons se dividirem em uma mistura de quark e glúon. Um componente principal do ALICE é a Câmara de Projeção do Tempo (TPC), que irá examinar e reconstruir as trajetórias das partículas. Como os detectores ATLAS e CMS, ALICE também tem um espectrômetro de múons. p O próximo é o Grande Colisor de Hádrons beleza (LHCb) local do detector. O objetivo do LHCb é buscar evidências de antimatéria. Ele faz isso procurando por uma partícula chamada quark de beleza . Uma série de sub-detectores em torno do ponto de colisão se estende por 20 metros (65,6 pés) de comprimento. Os detectores podem se mover minúsculos, maneiras precisas de capturar partículas de quark de beleza, que são muito instáveis e decaem rapidamente. p o Medição de seção transversal elástica e difrativa TOTal (TOTEM) experimento é um dos dois detectores menores no LHC. Ele medirá o tamanho dos prótons e do LHC luminosidade . Na física de partículas, luminosidade refere-se a quão precisamente um acelerador de partículas produz colisões. p Finalmente, aí está o Grande Colisor de Hádrons frente (LHCf) local do detector. Este experimento simula raios cósmicos em um ambiente controlado. O objetivo do experimento é ajudar os cientistas a encontrar maneiras de conceber experimentos de ampla área para estudar colisões de raios cósmicos que ocorrem naturalmente. p Cada local de detector tem uma equipe de pesquisadores que varia de algumas dezenas a mais de mil cientistas. Em alguns casos, esses cientistas buscarão as mesmas informações. Para eles, é uma corrida para fazer a próxima descoberta revolucionária da física. p Como os cientistas irão lidar com todos os dados que esses detectores irão reunir? Mais sobre isso na próxima seção. Ops!
Os cientistas esperavam colocar o LHC online em 2007, mas uma falha importante do ímã retardou as coisas. Um enorme ímã construído pelo Fermilab sofreu uma falha crítica durante um teste de estresse. Os engenheiros determinaram que a falha resultou de uma falha de projeto que não levou em consideração as enormes tensões assíncronas que os ímãs podiam suportar. Felizmente para os pesquisadores, os engenheiros consertaram a falha com bastante rapidez. Mas outro na forma de um vazamento de hélio apareceu. Agora, o LHC deve entrar em operação em 2009 [fonte:Professional Engineering].
p Os cientistas do CERN decidiram se concentrar no uso de equipamentos relativamente baratos para realizar seus cálculos. Em vez de comprar processadores e servidores de dados de última geração, O CERN concentra-se no hardware pronto para uso que pode funcionar bem em uma rede. A abordagem deles é muito semelhante à estratégia que o Google emprega. É mais econômico comprar muitos hardwares comuns do que alguns equipamentos avançados. p Usando um tipo especial de software chamado midware , a rede de computadores será capaz de armazenar e analisar os dados de todos os experimentos conduzidos no LHC. A estrutura do sistema é organizada em camadas:
p Um temor é que o LHC possa produzir buracos negros. Os buracos negros são regiões nas quais a matéria entra em colapso em um ponto de densidade infinita. Cientistas do CERN admitem que o LHC pode produzir buracos negros, mas também dizem que esses buracos negros estariam em uma escala subatômica e entrariam em colapso quase que instantaneamente. Em contraste, os buracos negros que os astrônomos estudam resultam do colapso de uma estrela inteira sobre si mesma. Há uma grande diferença entre a massa de uma estrela e a de um próton. p Outra preocupação é que o LHC irá produzir um material exótico (e até agora hipotético) chamado strangelets . Uma possível característica dos strangelets é particularmente preocupante. Os cosmologistas teorizam que os strangelets podem possuir um poderoso campo gravitacional que pode permitir que convertam todo o planeta em um vulto sem vida. p Cientistas do LHC descartam essa preocupação usando vários contrapontos. Primeiro, eles apontam que os strangelets são hipotéticos. Ninguém observou tal material no universo. Segundo, eles dizem que o campo eletromagnético em torno desse material repeliria a matéria normal em vez de transformá-la em outra coisa. Terceiro, eles dizem que mesmo que tal assunto exista, seria altamente instável e se deterioraria quase instantaneamente. Quarto, os cientistas dizem que os raios cósmicos de alta energia deveriam produzir esse material naturalmente. Uma vez que a Terra ainda está por aí, eles teorizam que os strangelets não são um problema. p Outra partícula teórica que o LHC pode gerar é um monopolo magnético . Teorizado por P.A.M. Dirac, um monopolo é uma partícula que contém uma única carga magnética (norte ou sul) em vez de duas. A preocupação citada por Wagner e Sancho é que tais partículas poderiam separar a matéria com suas cargas magnéticas desequilibradas. Cientistas do CERN discordam, dizendo que se monopólos existem, não há razão para temer que tais partículas causem tal destruição. Na verdade, pelo menos uma equipe de pesquisadores está procurando ativamente por evidências de monopolos com a esperança de que o LHC produza alguns. p Outras preocupações sobre o LHC incluem o medo da radiação e o fato de que ele produzirá as colisões de partículas de maior energia da Terra. O CERN afirma que o LHC é extremamente seguro, com blindagem espessa que inclui 100 metros (328 pés) de terra no topo dela. Além disso, o pessoal não é permitido no subsolo durante os experimentos. Quanto à preocupação com colisões, os cientistas apontam que as colisões de raios cósmicos de alta energia acontecem o tempo todo na natureza. Os raios colidem com o sol, lua e outros planetas, todos os quais ainda estão por aí sem nenhum sinal de dano. Com o LHC, essas colisões acontecerão dentro de um ambiente controlado. De outra forma, realmente não há diferença. p O LHC terá sucesso em aumentar nosso conhecimento sobre o universo? Os dados coletados levantarão mais perguntas do que respostas? Se os experimentos anteriores servirem de indicação, é provavelmente uma aposta segura presumir que a resposta a ambas as perguntas seja sim. p Para saber mais sobre o Grande Colisor de Hádrons, aceleradores de partículas e tópicos relacionados, acelere até os links da próxima página.