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ACELERADOR DE PARTÍCULAS
Vinicios Velasques Pinheiro1
Roberto Aguilar de Souza Junior2
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. E-mail: [email protected]
Possui graduação em Matemática pela Sociedade de Cultura e Educação do Litoral Sul (2012), Pós graduação
em Educação Matemática pela Unisanta (2014). Email: [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
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 1929. 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
acontece no mundo das velocidades relativísticas - assim chamadas por causa da
Teoria da Relatividade, criada pelo grande físico alemão Albert Einstein (1879-1955).
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 1 000 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.
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
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 11 245 voltas por segundo e
irão gerar 15 milhões de gigabytes de dados por ano.
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 2013. A descoberta do Bóson de Higgs foi eleita pela revista Science
como o achado científico mais importante de 2012. 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
1964. A faixa energética de procura do bóson foi se estreitando e, em dezembro de
2011, limites energéticos se encontram entre as faixas de 116-130 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
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
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.
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
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/c2.
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.
5 BIBLIOGRAFIA
Disponível em:
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Disponível em: <https://pt.wikipedia.org/wiki/Modelo_padr%C3%A3o>.Acesso em:(02
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Disponível
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<http://www.trabalhosfeitos.com/ensaios/Acelerador-DeParticulas/63128197.html>>. (03 set. 2016).
Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=-jtp755k2uA>>. (03 set. 2016).