O Grande Colisor de Hádrons joga com a famosa equação de Albert Einstein, E =mc ² , para transformar matéria em energia e depois de volta em diferentes formas de matéria. Mas em raras ocasiões, ele pode pular a primeira etapa e colidir com energia pura - na forma de ondas eletromagnéticas.

Ano passado, o experimento ATLAS no LHC observou dois fótons, partículas de luz, ricocheteando um no outro e produzindo dois novos fótons. Este ano, eles levaram essa pesquisa um passo adiante e descobriram fótons se fundindo e se transformando em algo ainda mais interessante:bósons W, partículas que carregam a força fraca, que governa a decadência nuclear.

Esta pesquisa não apenas ilustra o conceito central que rege os processos dentro do LHC:que energia e matéria são as duas faces da mesma moeda. Também confirma que com energias altas o suficiente, forças que parecem separadas em nossa vida cotidiana - eletromagnetismo e a força fraca - estão unidas.

De sem massa a enorme

Se você tentar replicar este experimento de colisão de fótons em casa cruzando os feixes de dois ponteiros laser, você não será capaz de criar novos, partículas massivas. Em vez de, você verá que os dois feixes se combinam para formar um feixe de luz ainda mais brilhante.

"Se você voltar e olhar as equações de Maxwell para o eletromagnetismo clássico, você verá que duas ondas colidindo se resumem em uma onda maior, "diz Simone Pagan Griso, pesquisador do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos Estados Unidos. "Nós só vemos esses dois fenômenos recentemente observados pelo ATLAS quando juntamos as equações de Maxwell com a relatividade especial e a mecânica quântica na chamada teoria da eletrodinâmica quântica."

Dentro do complexo de aceleradores do CERN, prótons são acelerados perto da velocidade da luz. Suas formas normalmente arredondadas se comprimem ao longo da direção do movimento à medida que a relatividade especial substitui as leis clássicas do movimento para processos que ocorrem no lhc. Os dois prótons que chegam vêem um ao outro como panquecas comprimidas acompanhadas por um campo eletromagnético igualmente comprimido (os prótons são carregados, e todas as partículas carregadas têm um campo eletromagnético). A energia do LHC combinada com a contração do comprimento aumenta a força dos campos eletromagnéticos dos prótons por um fator de 7.500.

Quando dois prótons se roçam, seus campos eletromagnéticos esmagados se cruzam. Esses campos ignoram a etiqueta clássica de "amplificar" que se aplica a baixas energias e, em vez disso, seguem as regras delineadas pela eletrodinâmica quântica. Por meio dessas novas leis, os dois campos podem se fundir e se tornar o "E" em E =mc².

"Se você ler a equação E =mc² da direita para a esquerda, você verá que uma pequena quantidade de massa produz uma grande quantidade de energia por causa da constante c², que é a velocidade da luz ao quadrado, "diz Alessandro Tricoli, um pesquisador do Laboratório Nacional de Brookhaven - a sede dos EUA para o experimento ATLAS, que recebe financiamento do Departamento de Ciência do DOE. "Mas se você olhar para a fórmula ao contrário, você verá que precisa começar com uma grande quantidade de energia para produzir até mesmo uma pequena quantidade de massa. "

O LHC é um dos poucos lugares na Terra que pode produzir e colidir fótons energéticos, e é o único lugar onde os cientistas viram dois fótons energéticos se fundindo e se transformando em bósons W massivos.

Uma unificação de forças

A geração de bósons W a partir de fótons de alta energia exemplifica a descoberta que conquistou Sheldon Glashow, Abdus Salam e Steven Weinberg o Prêmio Nobel de Física de 1979:Em altas energias, o eletromagnetismo e a força fraca são a mesma coisa.

Eletricidade e magnetismo muitas vezes parecem forças separadas. Normalmente, não se preocupa em levar um choque ao manusear um ímã de geladeira. E lâmpadas, mesmo quando aceso com eletricidade, não grude na porta da geladeira. Então, por que as estações elétricas exibem sinais alertando sobre seus altos campos magnéticos?

"Um ímã é uma manifestação do eletromagnetismo, e eletricidade é outra, "Tricoli diz." Mas são todas ondas eletromagnéticas, e vemos essa unificação em nossas tecnologias cotidianas, como telefones celulares que se comunicam por ondas eletromagnéticas. "

Com energias extremamente altas, o eletromagnetismo combina-se com outra força fundamental:a força fraca. A força fraca governa as reações nucleares, incluindo a fusão do hidrogênio em hélio que alimenta o sol e a decadência dos átomos radioativos.

Assim como os fótons carregam a força eletromagnética, os bósons W e Z carregam a força fraca. A razão pela qual os fótons podem colidir e produzir bósons W no LHC é que nas energias mais altas, essas forças se combinam para formar a força eletrofraca.

"Tanto os fótons quanto os bósons W são portadores de força, e ambos carregam a força eletrofraca, "Griso diz." Este fenômeno está realmente acontecendo porque a natureza é mecânica quântica. "