O LHC simplificado
Crédito da imagem: Maximilien Brice, CERN.
Se você não sabia de nada, Jon Snow, aqui está o que ele está fazendo em cinco etapas simples.
Deixe-os ver que suas palavras podem cortar você e você nunca estará livre da zombaria. Se eles querem te dar um nome, pegue-o, torne-o seu. Então eles não podem mais te machucar com isso. – George R. R. Martin
Quando se trata de descobrir do que o próprio Universo é feito, em um nível fundamental, você pode pensar que a maneira de fazer isso é pegar a matéria como nós e nos dividir em pedaços cada vez menores. Mas quando você faz isso com coisas como você, eu e tudo o que encontramos aqui na Terra, você descobre que há constituintes muito pequenos de matéria dentro: toda a matéria é feita de moléculas, que por sua vez são feitas de átomos, que podem ser dividido em núcleos e elétrons, e então quarks e glúons formam os núcleos.
Crédito da imagem: ESA/AOES Medialab.
Mas existem outras partículas fundamentais por aí que não são necessariamente encontrado dentro das coisas que nos compõem. Felizmente, temos uma maneira conveniente de fazer absolutamente nada que é possível para o Universo fazer: aproveitando-se da E = mc^2 . Junte energia suficiente em um local no espaço e no tempo e você poderá fazer literalmente qualquer coisa que o Universo permitir.
Isso é exatamente o que aceleradores de partículas e colisores como o Grande Colisor de Hádrons (LHC) vêm fazendo há quase um século. Tendo acabado de reiniciar, o LHC está pronto para levar nossa compreensão do que é possível neste Universo a alturas sem precedentes. Veja como a mágica acontece, em cinco etapas fáceis.
Crédito da imagem: Colaboração CERN / ATLAS, via http://lhc-machine-outreach.web.cern.ch/lhc-machine-outreach/collisions.htm .
1.) É tudo sobre Energia . O E nessa famosa equação, E = mc^2 , é disso que se trata. Quanto mais energia você tiver disponível, mais massivas serão as partículas que você poderá criar. (Desde c , a velocidade da luz é uma constante, quanto maior o E você tem meios quanto maior o m você pode fazer.) Então, em vez de separar partículas individuais em entidades cada vez menores, o objetivo é criar um evento — ou um único ponto de interação — que contenha o máximo de energia possível.
Crédito da imagem: Grupo de dados de partículas , Gráficos de seções transversais e quantidades relacionadas , Fig. 6 ( ficheiro PDF ).
Você faz isso, e as partículas que você pode (e vontade ) make será limitado apenas pela quantidade de energia que você tem disponível para criá-los. Então você quer alcançar as energias mais altas possíveis em um único ponto de interação; esse é o objetivo. Como o LHC nos leva até lá?
Crédito da imagem: CERN, via http://press.web.cern.ch/backgrounders/lhc-season-2-stronger-machine .
2.) Você pega duas partículas massivas e as acelera até a energias mais altas possível . Isso significa que você precisa do fundamental partículas para ter essas altas energias: ou os elétrons (se você estiver usando elétrons) ou os quarks e glúons lado de dentro um próton. Quando falamos de um evento com uma certa energia, estamos falando da quantidade de energia que fica disponível para a criação de novas partículas a partir da interação de duas partículas fundamentais.
Crédito da imagem: Cronodon, via http://cronodon.com/Atomic/QCD.html .
Dentro do LHC, a maneira como você alcança essas energias é pegando duas partículas carregadas – dois prótons – e acelerando-as o mais próximo possível da velocidade da luz. Você envia um no sentido horário e outro no sentido anti-horário, e os junta para obter a quantidade máxima de energia. Se você deseja obter uma partícula carregada próxima à velocidade da luz, existem apenas três coisas que você precisa considerar:
- Qual é o tamanho do seu anel em que suas partículas viajam? (Maior é melhor.)
- Quão forte é o seu campo magnético que acelera e dobra as partículas carregadas? (Mais forte é melhor.)
- E quão rápido essas partículas podem ir antes que o campo magnético faça com que elas emitam radiação mais rápido do que você pode acelerá-las? (Uma propriedade da massa da partícula, juntamente com o campo magnético e o raio do anel.)
Crédito da imagem: CERN.
O LHC é o maior anel já usado para um acelerador de partículas, com cerca de 27 quilômetros de circunferência, e possui os eletroímãs mais fortes já usados em um acelerador. Embora os prótons sejam partículas compostas, o que significa que a energia é dividida entre três quarks e um número indeterminado de glúons (e quarks do mar), sua massa mais pesada significa que pode atingir muito, Muito de energias mais altas do que, digamos, um elétron pode (com apenas 1/1836 da massa de um próton) antes de emitir essa radiação limitante.
No caso do LEP, que foi o Large Electron-Positron Collider que precedeu o LHC, atingiu uma energia de cerca de 114 GeV, onde um GeV é um giga-electron-Volt (10^9 eV). O Fermilab, o detentor do recorde de energia anterior, operava com colisões próton/antipróton a 2 TeV (tera-elétron-Volts, ou 10^12 eV), enquanto o LHC em sua primeira execução atingiu colisões próton-próton a 7 TeV e agora, em sua nova rodada, quebrará o recorde de energia em 13 TeV.
Mas a energia não vai te dar tudo!
Crédito da imagem: CERN / LHC, da Escola de Física e Astronomia da Universidade de Edimburgo.
3.) Você tem que detectar tudo que sai da colisão para reconstruir com precisão o que você criou . A maioria das partículas que atiramos umas nas outras erra, já que os prótons são incrivelmente pequenos com apenas 10^-15 metros de diâmetro. Mas quando eles colidem, os resultados são incrivelmente confusos!
Crédito da imagem: Sabine Hossenfelder, via http://backreaction.blogspot.com/2006/09/micro-black-holes.html .
Quarks vão a todos os lugares, resultando em jatos de partículas de alta energia, novas partículas são criadas e quase tudo que você cria decai em uma minúscula fração de segundo.
Sua única esperança para remendar tudo? Detecte tudo o que sai — sua carga, sua energia, seu momento, sua massa etc. — e tente reconstruir o que você criou no ponto de colisão.
Crédito da imagem: a colaboração ATLAS / CERN, recuperada da Universidade de Edimburgo.
Esta é uma tarefa incrível para a tecnologia, exigindo detectores do tamanho de uma dúzia de ônibus escolares todos amarrados, tudo para juntar algo que começou com menos do tamanho de um próton! Também é uma tarefa tremenda para os dados, já que essas colisões são tão frequentes que só podemos escrever os dados por cerca de um em um milhão colisões, o que significa que estamos jogando fora 99,9999% dos dados que estamos criando. (Não se preocupe; temos critérios para garantir que estamos descartando os dados para coisas conhecidas e salvando os dados para coisas possivelmente novas.)
Então construímos essas máquinas gigantes, criamos as colisões, anotamos os dados e depois os analisamos. O que você está procurando?
Crédito da imagem: Fermilab, modificado por mim .
4.) Compare o conjunto completo de dados com o que esperamos que o Universo nos dê . Acima está o Modelo Padrão de partículas elementares. Cada uma dessas partículas já foi descoberta experimentalmente, tendo sido detectada diretamente por algum meio ou método. O último reduto, o bóson de Higgs, foi descoberto pela primeira vez no LHC em 2012.
Crédito da imagem: NSF, DOE, LBNL e o Projeto de Educação Física Contemporânea (CPEP).
O fato é que cada uma dessas partículas – com base nas interações eletromagnéticas, fracas e fortes – supostamente interage com todas as outras partículas (e decai) de maneiras específicas e conhecidas. O Modelo Padrão é muito explícito nessas previsões, então, quando medimos essas propriedades, estamos testando nossas leis mais fundamentais da própria natureza. Neste momento, a teoria do Modelo Padrão concordou perfeitamente (ou seja, dentro dos limites experimentais) com todas as nossas observações.
Crédito da imagem: Bryan Christie Design / Scientific American & Gordie Kane.
Mas existem quebra-cabeças que a física atualmente não consegue explicar, incluindo:
- Por que os neutrinos têm massas pequenas, mas diferentes de zero?
- Por que vemos a violação do CP nos fracos mas não forte interações?
- Por que todas as partículas têm massas muito menores que a massa de Planck?
- E por que há mais matéria do que antimatéria no Universo?
As respostas a essas perguntas podem permanecer em segredo por algum tempo e por muitas ordens de magnitude em energia. Mas o LHC também pode descobri-los! O que traz o ponto final e mais emocionante…
Crédito da imagem: Universe-review.ca.
5.) O LHC está sondando território desconhecido em busca de peças novas e fundamentais para nossa imagem do Universo . Se existir matéria escura com uma massa de repouso abaixo de cerca de 1 TeV, o LHC deverá ver um sinal infalível dela. Se a supersimetria (SUSY) é a razão pela qual as partículas têm massas muito menores do que a escala de Planck, devemos encontrar pelo menos uma partícula SUSY no LHC. Se houver mais de uma partícula de Higgs, o LHC deve encontrar pelo menos uma das outras. E se a chave para a assimetria matéria/antimatéria está na física eletrofraca, o LHC deve começar a ver isso.
Crédito da imagem: obtido da Universidade de Heidelberg, via http://www.thphys.uni-heidelberg.de/~doran/cosmo/baryogen.html .
Basicamente, se houver novas partículas ou interações que desempenhem um papel até escalas de energia de cerca de 1 ou 2 TeV, veremos desvios ou acréscimos ao que o Modelo Padrão prevê nos dados que o LHC coletará nos próximos três anos .
E mesmo que não haja novas partículas ou interações, o LHC confirmará o Modelo Padrão e nada mais até escalas de energia que, digamos, tornam a física ainda mais interessante e intrigante do que imaginávamos até agora. Podemos até encontrar novos estados de matéria que o Modelo Padrão prevê, mas ainda não foram observados, como bolas de cola ou estados ligados apenas de glúons.
Crédito da imagem: Matthew J. Strassler, Kathryn M. Zurek.
Não há nada que um físico goste mais do que um Universo que não bastante faz sentido como o conhecemos, porque isso nos dá um quebra-cabeça fascinante e tentador para resolver!
Então é isso que o LHC está fazendo, como está fazendo, o que está procurando e por quê. E se isso não te excitar? Bem, você sempre pode recorrer à BBC.
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