Mesmo nos dias mais quentes e secos, os raios do sol são muito fracos para acender um fogo. Mas com uma lupa (ou, em alguns casos infelizes, um enfeite de jardim de vidro), você pode focar a luz do sol em um feixe forte o suficiente para acender o pavio.

No Grande Colisor de Hádrons, os cientistas aplicam esse mesmo princípio ao focalizar feixes de prótons (ou às vezes íons pesados) antes de passá-los pelos quatro pontos de colisão do acelerador. As colisões de partículas de alta energia permitem que os cientistas estudem as leis fundamentais da física e procurem por novas partículas, campos e forças.

Ao focar firmemente os feixes de prótons antes de colidi-los, os cientistas podem aumentar rapidamente o número de eventos de colisão que precisam estudar.

Cientistas, engenheiros e técnicos no CERN e em todo o mundo, incluindo no Laboratório Nacional de Aceleração Fermi, Laboratório Nacional de Brookhaven e Laboratório Nacional de Lawrence Berkeley, juntos como parte do Programa de atualização do acelerador de alta luminosidade do LHC do Departamento de Energia dos EUA - estão construindo novos ímãs de foco, que comprimirá os prótons em colisão em volumes ainda menores. Eles também estão projetando novos ímãs kicker, que colidirá com as trajetórias das partículas que chegam para ajudar os dois feixes se encontrarem face a face no ponto de colisão.

No final da década de 2020, os cientistas vão ligar um LHC de alta luminosidade turboalimentado. A atualização aumentará o número total de colisões potenciais que os cientistas precisam estudar em pelo menos um fator de 10.

Por que luminosidade e não colisões?

Como você deve ter notado, quando os físicos falam sobre colisões de partículas, eles falam sobre uma medição chamada luminosidade. Não diz aos cientistas exatamente quantas colisões de partículas estão acontecendo dentro de um colisor; em vez, a luminosidade mede o quão compactadas as partículas estão nos feixes que se cruzam. Quanto mais apertado, o mais provável é que algumas das partículas colidam.

No HL-LHC, Espera-se que 220 bilhões de prótons passem por outros 220 bilhões de prótons a cada 25 nanossegundos nas quatro interseções experimentais do acelerador. Mas a grande maioria dos prótons não irá interagir realmente uns com os outros. Mesmo com a melhor tecnologia de foco de feixe de hoje, as chances de um próton colidir com outro próton dentro do anel do LHC ainda são significativamente menores do que as chances de ganhar o Jackpot da Mega Millions.

Prótons não são orbes sólidas que saltam, quebrar ou quebrar quando eles entram em contato um com o outro. Em vez, eles são pacotes confusos de campos e partículas ainda menores chamadas quarks.

Dois prótons podem passar um através do outro, e há uma chance de tudo o que eles fariam é repetir aquela cena do filme Ghost em que o ator Patrick Swayze, jogando o fantasma titular, enfia sua cabeça etérea em um trem em movimento - sem efeito. Você pode levar os prótons a uma colisão frontal, mas você não pode fazer com que eles interajam.

Mesmo que dois prótons interajam, isso conta como uma colisão? Se dois prótons passarem um pelo outro e a onda de choque de seus campos eletromagnéticos que se cruzam ejeta alguns fótons, isso conta? E se um desses fótons perdidos mergulhar no coração de outro próton? E se dois prótons se roçassem e disparassem um monte de partículas, mas ficar intacto?

As colisões são complicadas. Então, os físicos falam sobre luminosidade em vez disso.

Taxa de colisão

A taxa na qual as partículas são reunidas para colidir é chamada de "luminosidade instantânea".

“A luminosidade instantânea depende do número de partículas em cada feixe colidindo e da área dos feixes, "diz Paul Lujan, um pós-doutorado na University of Canterbury que trabalha com medições de luminosidade para o experimento CMS. "Um feixe de tamanho menor significa mais colisões potenciais por segundo."

Em 2017, Os físicos do LHC alcançaram um novo recorde quando mediram uma luminosidade instantânea de 2,06 x 10 ³⁴ por centímetro quadrado por segundo. (Multiplique o número de prótons em cada feixe, em seguida, divida pela área do feixe - em centímetros quadrados - ao longo do tempo.)

"As unidades de luminosidade são um pouco não intuitivas, "Lujan diz, "mas nos dá exatamente as informações de que precisamos."

Quando os cientistas carregam o LHC com um novo lote de partículas para colidir, eles os mantêm funcionando enquanto os feixes estão em boas condições, com partículas suficientes restantes para ter uma boa luminosidade instantânea.

Considerando que um preenchimento médio do LHC dura entre 10 e 20 horas, o número de colisões potenciais pode aumentar muito rapidamente. Portanto, os cientistas não se preocupam apenas com a luminosidade instantânea; eles também se preocupam com a "luminosidade integrada, "quantas colisões potenciais se acumulam durante essas horas de funcionamento.

Não foi possível atingir o lado largo da porta de um celeiro

A diferença entre luminosidade instantânea e luminosidade integrada é a diferença entre, "No momento, estou dirigindo a 60 milhas por hora, "e" Mais de dez horas, Eu dirigi 600 milhas. "

Para luminosidade integrada, físicos mudam de centímetros quadrados para uma nova unidade de área:o celeiro, uma referência ao idioma, "Não foi possível atingir o lado largo de um celeiro." Do ponto de vista de uma partícula subatômica, "o celeiro" é tão grande que seria difícil não perceber.

O celeiro foi inventado na década de 1940. Seu tamanho real - 10 a 24 centímetros quadrados - foi classificado até o final da Segunda Guerra Mundial. Isso porque é equivalente ao tamanho de um núcleo de urânio, um ingrediente-chave na bomba atômica então desenvolvida.

O celeiro permaneceu por aí após a guerra e se tornou uma forma padrão de medir a área na física nuclear e de partículas.

Falando em celeiros - e uma unidade ainda menor igual a 10 ^-15 celeiros chamados de "femtobarn" - permite aos físicos pegar um número enorme e convertê-lo, transformando-o de algo muito longo para escrever na lateral de um celeiro real em algo que poderia caber em um cartão-postal.

Os físicos também usam femtobarns para medir a probabilidade de um processo subatômico, chamado de "seção transversal".

"Imagine uma luta de comida em uma lanchonete, "Diz Lujan." Podemos prever o número de pessoas que serão salpicadas com uma almôndega perdida [uma "interação de almôndega, "se você quiser] com base no número de pessoas presentes, a área e as dimensões do refeitório, quanto tempo dura a luta de comida [que pode ser usado para calcular a "luminosidade integrada" de todas as interações possíveis, incluindo interações com almôndegas], bem como a probabilidade desse processo específico [o "corte transversal" de uma interação com almôndegas]. "

Para testar as leis da física, os físicos comparam suas previsões sobre a probabilidade de certos processos com o que eles realmente veem na prática.

Com a atualização HL-LHC, os cientistas estão aumentando o número de prótons, diminuindo o diâmetro dos pontos de colisão, e melhor alinhar as trajetórias dos prótons. Todas essas mudanças ajudam a aumentar a probabilidade de que os prótons interajam uns com os outros quando cruzam as interseções do LHC. O aumento do número de oportunidades de colisão ajudará os físicos a encontrar e estudar processos e partículas raros que são essenciais para a compreensão das leis fundamentais da física.