Pergunte a Ethan: Por que o Grande Colisor de Hádrons não pode colocar mais energia em suas partículas?
Acelerar partículas em círculos, dobrando-as com ímãs e colidindo-as com partículas adicionais de alta energia ou antipartículas, é uma das maneiras mais poderosas de investigar novas físicas no Universo. Para encontrar o que o LHC não pode, devemos ir para energias mais altas e/ou precisões mais altas, e isso requer um túnel maior. (ESTUDO CERN / FCC)
As partículas de maior energia na Terra atingem energias enormes, mas não é nada comparado ao que o Universo pode alcançar.
Nas profundezas da Europa, o acelerador de partículas mais poderoso do mundo vive em um túnel circular com cerca de 27 quilômetros de circunferência. Ao evacuar todo o ar interno, prótons que se movem quase à velocidade da luz circulam em direções opostas, empurrados para as energias mais altas já criadas artificialmente. Em alguns pontos explícitos, os dois feixes internos são focados o mais firmemente possível e são feitos para cruzar, onde um pequeno número de colisões próton-próton ocorre com cada grupo de prótons que passa. E, no entanto, a energia por partícula atinge cerca de 7 TeV: menos de 0,00001% das energias que observamos de nossas partículas de raios cósmicos de maior energia. Por que somos tão limitados aqui na Terra? Essa é a pergunta do torcedor do Patreon Ken Blackman, que quer saber:
Por que o LHC não pode criar partículas com a energia da partícula OMG? Qual é a limitação? Por que uma máquina tão vasta e incrivelmente poderosa não pode bombear meros 51 joules em uma única partícula subatômica?
Quando você olha para o que fazemos na Terra versus o que ocorre no espaço, não há comparação.
Quando dois prótons colidem, não são apenas os quarks que os compõem que podem colidir, mas os quarks do mar, glúons e, além disso, interações de campo. Todos podem fornecer insights sobre a rotação dos componentes individuais e nos permitir criar partículas potencialmente novas se forem alcançadas energias e luminosidades suficientemente altas. (COLABORAÇÃO CERN / CMS)
Uma máquina tão complicada e intrincada quanto a Grande Colisor de Hádrons (LHC) realmente é, o princípio em que funciona é surpreendentemente simples. Prótons e partículas eletricamente carregadas em geral podem ser acelerados por campos elétricos e magnéticos. Se você aplicar um campo elétrico na direção do movimento de um próton, esse campo elétrico exercerá uma força positiva sobre esse próton, fazendo com que ele acelere e ganhe energia.
Se fosse possível construir um acelerador de partículas infinitamente longo, e você não precisasse se preocupar com outras forças ou movimentos, isso nos daria imediatamente uma maneira ideal de criar partículas de quaisquer altas energias que pudéssemos sonhar. . Aplique esse campo elétrico ao seu próton, o que faz com que seu próton experimente uma força elétrica e seu próton acelere. Enquanto esse campo estiver lá, não há limite para quanta energia você pode bombear para seu próton.
Um novo acelerador hipotético, seja um longo linear ou um que habita um grande túnel sob a Terra, poderia diminuir a sensibilidade a novas partículas que os colisores anteriores e atuais podem alcançar. Mesmo assim, não há garantia de que encontraremos algo novo, mas com certeza não encontraremos nada de novo se não tentarmos. Um colisor perfeitamente linear construído nos EUA continentais poderia ter quase 4.500 km de comprimento, mas precisaria afundar ou subir acima da superfície da Terra por centenas de quilômetros para acomodar a curvatura do nosso planeta. (COLABORAÇÃO ILC)
As cavidades de aceleração que o LHC usa são extremamente eficientes e podem acelerar partículas em cerca de 5 milhões de volts para cada metro que percorrem. Se você quisesse bombear meros 51 joules em um próton, no entanto, isso exigiria uma cavidade do acelerador com impressionantes 60 bilhões de quilômetros de comprimento: cerca de 400 vezes a distância da Terra ao Sol.
Embora isso o leve a uma energia de cerca de 320 quintilhões de elétrons-volts (eV) por partícula, ou cerca de 45 milhões de vezes a energia que o LHC realmente alcança, é extremamente impraticável construir um campo elétrico uniforme que se estenda por uma distância tão grande. Mesmo construindo um acelerador de partículas linear em todo o distância contínua mais longa nos Estados Unidos , perto de 4.500 km, levaria apenas cerca de 22 TeV por partícula: pouco melhor que o LHC. (E teria que subir/afundar centenas de quilômetros acima/abaixo da Terra, devido à curvatura do nosso planeta.)
Isso destaca por que os aceleradores de partículas de maior energia, aqueles que aceleram prótons, quase nunca são lineares em configuração, mas são dobrados em forma circular.
A escala do futuro Colisor Circular proposto (FCC), comparada com o LHC atualmente no CERN e o Tevatron, anteriormente operacional no Fermilab. O Future Circular Collider é talvez a proposta mais ambiciosa para um colisor de próxima geração até o momento, incluindo opções de lépton e próton como várias fases de seu programa científico proposto. Tamanhos maiores e campos magnéticos mais fortes são as únicas maneiras razoáveis de “aumentar” a energia. (PCHARITO / WIKIMEDIA COMMONS)
Embora os campos elétricos sejam necessários para levar suas partículas a energias mais altas e aproximá-las daquela minúscula fração de um por cento da velocidade da luz, os campos magnéticos também podem acelerar partículas carregadas dobrando-as em um caminho circular ou helicoidal. Na prática, é isso que torna o LHC e outros aceleradores tão eficientes: com apenas algumas cavidades aceleradas, você pode obter energias enormes usando-as repetidamente para acelerar os mesmos prótons.
A configuração então parece simples. Comece acelerando seus prótons de alguma forma antes de injetá-los no anel principal do LHC, onde eles encontrarão:
- partes retas, onde os campos elétricos aceleram os prótons para energias mais altas,
- partes curvas, onde os campos magnéticos as dobram em curvas até atingirem a próxima parte reta,
e repita isso até chegar a uma energia tão alta quanto você deseja.
O interior do LHC, onde os prótons se cruzam a 299.792.455 m/s, apenas 3 m/s abaixo da velocidade da luz. Aceleradores de partículas como o LHC consistem em seções de cavidades de aceleração, onde campos elétricos são aplicados para acelerar as partículas no interior, bem como porções de dobra de anel, onde campos magnéticos são aplicados para direcionar as partículas em movimento rápido para a próxima cavidade de aceleração ou um ponto de colisão. (CERN)
Por que, então, você não pode atingir energias arbitrariamente altas usando este procedimento? Na verdade, existem duas razões: a que nos impede na prática e a que nos impede em princípio.
Na prática, quanto maior a energia de sua partícula, mais forte o campo magnético precisa ser para dobrá-la. É o mesmo princípio que se aplica ao dirigir seu carro: se você quiser fazer uma curva muito fechada, é melhor diminuir a velocidade. Se você for rápido demais, a força entre os pneus e a própria estrada será muito grande e seu carro derrapará para fora da estrada, levando a um desastre. Você precisa desacelerar, construir uma estrada com uma curva maior ou (de alguma forma) aumentar o atrito entre os pneus do seu carro e a própria estrada.
Na física de partículas, é a mesma história, exceto que seu túnel curvo é a estrada curva, a energia de sua partícula é a velocidade e o campo magnético é o atrito.
Já na década de 1940, automóveis como este Davis Three-Wheeler alcançaram tal estabilidade que podiam ser conduzidos em um círculo de 13 pés a 55 milhas por hora sem derrapar. Para ir mais rápido, você teria que aumentar o atrito com a estrada ou aumentar o raio do seu círculo, análogo às limitações do acelerador de partículas de precisar de um anel maior ou um campo mais forte para atingir energias mais altas. (Hulton-Deutsch/Hulton-Deutsch Collection/Corbis via Getty Images)
Isso significa que a energia de sua partícula é inerentemente limitada, na prática, pelo tamanho do acelerador que você construiu (especificamente, pelo raio de sua curvatura) e pela força dos ímãs que dobram as partículas dentro dele. Se você quiser aumentar a energia de sua partícula, você pode construir um acelerador maior ou aumentar a força de seus ímãs, mas ambos apresentam grandes desafios práticos (e financeiros); um novo acelerador de partículas nas fronteiras da energia é agora um investimento de uma vez por geração.
Mesmo se você pudesse fazer isso para o conteúdo do seu coração, no entanto, você ainda estaria limitado em princípio por outro fenômeno: radiação síncrotron . Quando você aplica um campo magnético a uma partícula carregada em movimento, ela emite um tipo especial de radiação, conhecida como radiação cíclotron (para partículas de baixa energia) ou síncrotron (para partículas de alta energia). Embora isso tenha seus próprios usos práticos, como os aplicativos pioneiros na fonte avançada de fótons do Argonne Lab, limita ainda mais as velocidades das partículas dobradas por um campo magnético.
Elétrons e pósitrons relativísticos podem ser acelerados a velocidades muito altas, mas emitirão radiação síncrotron (azul) em energias altas o suficiente, impedindo-os de se mover mais rápido. Esta radiação síncrotron é o análogo relativístico da radiação prevista por Rutherford há tantos anos, e tem uma analogia gravitacional se você substituir os campos eletromagnéticos e cargas por campos gravitacionais. (CHUNG-LI DONG, JINGHUA GUO, YANG-YUAN CHEN E CHANG CHING-LIN, 'SONDAS DE ESPECTROSCOPIA DE RAIO-X SOFT DISPOSITIVOS COM BASE EM NANOMATERIAIS')
As limitações da radiação síncrotron são o motivo pelo qual, para atingir as energias mais altas, aceleramos prótons em vez de elétrons. Você pode pensar que os elétrons seriam a melhor aposta para alcançar energias mais altas; afinal, eles têm a mesma carga elétrica de um próton, mas têm apenas 1/1836 da massa, o que significa que a mesma força elétrica pode acelerá-los quase 2.000 vezes mais. A quantidade de aceleração que uma partícula experimenta, para um dado campo elétrico, depende da razão carga-massa da partícula em questão.
Mas a taxa com que a energia é irradiada devido a esse efeito depende da razão carga-massa à quarta potência , o que limita a energia que você pode obter muito rapidamente. Se o LHC operasse com elétrons em vez de prótons, só seria capaz de atingir energias de cerca de 0,1 TeV por partícula, consistente com os limites que o antecessor do LHC, o LHC Grande colisor de elétrons-pósitrons (LEP) , na verdade se deparou.
Uma vista aérea do CERN, com a circunferência do Grande Colisor de Hádrons (27 quilômetros ao todo) delineada. O mesmo túnel foi usado para abrigar um colisor elétron-pósitron, LEP, anteriormente. As partículas no LEP foram muito mais rápidas do que as partículas no LHC, mas os prótons do LHC carregam muito mais energia do que os elétrons ou pósitrons do LEP. (MAXIMILIEN BRICE (CERN))
Para exceder os limites da radiação síncrotron, você deve construir um acelerador de partículas maior; construir um imã mais forte não lhe trará nada. Apesar muitas pessoas estão tentando construir um colisor de partículas de última geração , aproveitando tanto eletroímãs mais fortes e um raio de anel maior , as energias máximas com as quais as pessoas sonham ainda são apenas cerca de 100 TeV por colisão: ainda um fator de mais de um milhão a menos do que o próprio Universo pode produzir.
A mesma física que fundamentalmente limita as energias que as partículas atingem na Terra ainda existe no espaço, mas o Universo nos oferece condições que nenhum laboratório terrestre jamais alcançará. Os campos magnéticos mais fortes criados na Terra, como no Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético , pode se aproximar de 100 T: um pouco mais de um milhão de vezes mais forte que o campo magnético da Terra. Em comparação, as estrelas de nêutrons mais fortes, conhecidas como magnetares , pode gerar campos magnéticos de até 100 bilhões de T!
Uma estrela de nêutrons é uma das coleções de matéria mais densas do Universo, cujo forte campo magnético gera pulsos ao acelerar a matéria. A estrela de nêutrons que gira mais rápido que já descobrimos é um pulsar que gira 766 vezes por segundo. No entanto, agora que temos um mapa de um pulsar do NICER, sabemos que este modelo de dois pólos não pode estar correto; o campo magnético do pulsar é mais complexo. (ESO/LUÍS CALÇADA)
Os laboratórios naturais encontrados no espaço não apenas aceleram prótons e elétrons, mas também núcleos atômicos. Os raios cósmicos de maior energia que já medimos com muita precisão não são simplesmente prótons, mas são núcleos pesados como o ferro, que é mais de 50 vezes mais massivo que um próton. O único raio cósmico de maior energia de todos, conhecido coloquialmente como o Partícula Oh-Meu-Deus , foi provavelmente um núcleo de ferro pesado acelerado em um ambiente astrofísico extremo: em torno de uma estrela de nêutrons ou mesmo de um buraco negro.
Os campos elétricos que podemos gerar na Terra simplesmente não se comparam à força dos campos acelerados encontrados nesses ambientes astrofísicos, onde mais massa e energia do que todo o nosso Sistema Solar contém é comprimida em um volume do tamanho de uma grande ilha como Maui . Sem as mesmas energias, ambientes e escalas cósmicas à nossa disposição, os físicos terrestres simplesmente não podem competir.
As erupções de maior energia provenientes de estrelas de nêutrons com campos magnéticos extremamente fortes, os magnetares, são provavelmente responsáveis por algumas das partículas de raios cósmicos de maior energia já observadas. Uma estrela de nêutrons como essa pode ter algo como o dobro da massa do nosso Sol, mas comprimida em um volume comparável ao da ilha de Maui. (CENTRO DE VÔO ESPACIAL GODDARD DA NASA/S. WIESSINGER)
Se pudéssemos aumentar o tamanho de nossos aceleradores de partículas, como se custo e construção não fossem problema, poderíamos um dia esperar corresponder ao que o Universo oferece. Com ímãs comparáveis aos que temos hoje no LHC, um acelerador de partículas que circulou o equador da Terra poderia atingir energias cerca de 1.500 vezes maiores do que o LHC poderia alcançar. Um que se estendesse ao tamanho da órbita da Lua atingiria energias quase 100.000 vezes maiores do que o LHC alcança.
E indo ainda mais longe, um acelerador circular do tamanho da órbita da Terra finalmente criaria prótons cujas energias atingiriam a da partícula Oh-Meu-Deus: 51 joules. Se você escalasse seu acelerador de partículas até o tamanho do Sistema Solar, você poderia teoricamente investigar a teoria das cordas, a inflação e literalmente recriar as energias do nível do Big Bang, com consequências potencialmente finais do Universo .
Se realmente queremos alcançar as energias mais altas imagináveis com um acelerador de partículas que construímos, teremos que começar a construí-los em uma escala maior que a de todo o planeta; talvez ir para as escalas do Sistema Solar seja algo que não deve ser retirado da mesa. (ESO/J.-L. BEUZIT ET AL./SPHERE CONSORTIUM)
Por enquanto, talvez infelizmente, esses terão que continuar sendo os sonhos dos entusiastas da física e cientistas loucos. Na prática, os aceleradores de partículas na Terra, limitados pelo tamanho, força do campo magnético e radiação síncrotron, simplesmente não podem competir com o laboratório astrofísico fornecido pelo nosso Universo natural.
Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !
Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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