UNIVERSIDADE CATÓLICA DE PETRÓPOLIS
CENTRO DE ENGENHARIA E COMPUTAÇÃO
CURSO DE ELETROTÉCNICA
ACELERADOR DE PARTÍCULAS
Petrópolis
2012
UNIVERSIDADE CATÓLICA DE PETRÓPOLIS
CENTRO DE ENGENHARIA E COMPUTAÇÃO
CURSO DE ELETROTÉCNICA
ACELERADOR DE PARTÍCULAS
Pesquisas apresentados junto à disciplina eletrotécnica, referente a 1ª fase das práticas de laboratório.
Petrópolis
2012
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ... 3
1 Descrição e definição de Hádrons ... 3
2 Função ... 5
3 Aplicação ... 6
4 Informações detalhadas sobre o LHC, ou Grande Colisor de Hádrons, das suas instalações. Razão de o LHC ser mantido a tão baixas temperaturas. Países que participam do empreendimento e o capital investido...8
5 Descrição do que ocorre na divisão de partículas, como surgem novas partículas e que informações elas podem proporcionar e para que servem...15
6 Análise da Possibilidade de as partículas produzidas poderem escapar do LHC para o meio ambiente ... 17
7 Definição de buracos negros, de antimatériae análise sobre a respectiva produção pelo LHC ... 19
8 Resultados obtidos até o momento ... 25
9 Conclusões e aplicações práticas e originais descobertas pelo grupo ... 27
INTRODUÇÃO
O descobrimento da estrutura atômica no início do século XX, fez com que os cientistas descobrissem que o átomo é composto de pequenos fragmentos chamados de partículas subatômicas, como o próton, o elétron e o nêutron.
Contudo, as pesquisas e experimentos realizados em meados do século XX com os “quebradores de átomos” ou também conhecido como “acelerador de partículas” revelou que o átomo tinha uma estrutura subatômica muita mais complexa do que eles imaginavam.
O acelerador de partículas LHC (LargeHadronCollider - Grande Colisor de Hádrons), compreendido como o maior experimento científico do mundo pode pegar uma partícula, como o elétron e acelerá-lo próximo a velocidade da luz até colidir com um átomo, com isso, descobrir suas partes internas.
O objetivo de tal experimento é reproduzir as condições do Big Bang no intuito de responder uma das perguntas mais intrigantes do universo de ondem viemos e/ou para onde iremos.
1 DESCRIÇÃO E DEFINIÇÃO DE HÁDRON
Em Física de Partículas o Hádroné compreendido basicamente por partículas cujas interações são fortes. Os hádrons são partículas compostas formadas por quarks (que até onde se sabe onde em dia são verdadeiramente partículas elementares que compõem os hádrons). Os hádrons podem ser divididos em dois tipos, os mésons e os bárions (WIKIPEDIA).
Os bárions, que incluem o nêutron e o próton, são férmions de spin semi-inteiro e são constituídos de três quarks. Os mésons, que incluem os píons e os káons, têm spin nulo ou inteiro.
No estudo de partículas nos deparamos com diferentes nomes dados a elas, tais nomes são definidos pela interação entre as partículas. Se tratando de interação gravitacional, todas as partículas estão sob a ação da gravidade, no entanto não é possível
perceber essa interação, devido a isso a interação gravitacional não é levada em conta quando a pesquisa é referente às partículas subatômicas. O tipo de interação que merece uma certa atenção é a interação que age sobre as partículas que possuem carga elétrica.
Ainda em relação às citações das interações, resta-nos mencionar a interação forte e a interação fraca. A interação forte é um tipo de interação que faz com que os núcleons se mantenham unidos para formar os núcleos. A interação fraca está ligada ao decaimento beta e ligada também a processos semelhantes. Assim, podemos concluir que a interação forte age apenas sobre algumas partículas, já a interação fraca age sobre todas as partículas.
Logo, a classificação das partículas é feita tendo por base o efeito provocado por sua interação. As partículas de interação fraca são chamadas de Léptons e as partículas sob a ação de interação forte são chamadas de Hádrons.
A imagem a seguir trata-se de uma das maiores engenhosidade da engenharia o Grande Colisor de Hádrons.
2 FUNÇÃO
O LHC - acelerador de partículas - é um aparelho que produz "feixes" de átomos, elétrons, moléculas ou algumas partículas mais exóticas, como antiprótons, pósitrons ou mésons, com velocidades altas, geralmente superiores a 1/1000 da velocidade da luz. Para que sejam atingidas estas velocidades, que em alguns casos chegam quase na velocidade da luz, as partículas sofrem a ação de forças eletromagnéticas, com arranjos que diferem bastante entre os diversos tipos de aceleradores.
Todos os aceleradores de partículas possibilitam a concentração de alta energia em pequeno volume e em posições arbitradas e controladas de forma precisa. A razão para que os cientistas criem tais aceleradores é que precisamos conhecer melhor de que tudo é feito e um dos meios de fazer isso é colidir partículas em altas velocidades com outras partículas (átomos, fótons, elétrons, moléculas, etc.) ou com sólidos. Outra razão é que podemos usar essas colisões para conhecer melhor não só o que estamos acelerando, mas também contra o que estamos colidindo as partículas, ou seja, os "alvos", por exemplo, obtendo a composição química de objetos sólidos.
A imagem a seguir mostra a visão final de uma colisão de dois feixes de ouro no colisionador de íons pesados relativísticos
3 APLICAÇÃO
Quando olhamos noticias sobre LHC e todos os gigantescos números que o envolve, números de custo, de pessoas no projeto, de energia e até mesmo nas expectativas em torno deste gigantesco acelerador de partículas como a criação de um mini big-bang ou a possibilidade de encontrar a “partícula de Deus” (bóson de Higgs que veremos mais adiante) tendemos a pensar que a tecnologia de aceleração de partículas é algo muito alem de nossas necessidades e distante do nosso cotidiano de uma vida normal, longe das discussões e expectativas que envolvem toda uma sociedade cientifica em torno do que somos feitos, ou como fomos feitos e até mesmo porque surgimos. Não só a vida, mas todo o macro e micro universo em torno de tudo. Porem estamos sem saber constantemente utilizando de uma serie de aparelhos e benefícios que surgiram a partir da tecnologia de aceleração de partículas. É claro numa escala de dimensões brutas muito menores que o LHC, contudo com o mesmo conceito: aceleração de partículas.
Hoje em há uma imensa gama de materiais "artificiais", como ligas metálicas, plásticos, remédios, que na sua maioria eram completamente desconhecidos a 100 ou 200 anos atrás, ou mesmo que desconhecíamos durante nossa infância. A descoberta e/ou produção de muitos deles só foi possível usando propriedades atômicas e moleculares descobertas usando aceleradores de partículas. Foram experiências usando aceleradores que nos permitiram a compreensão que temos dos átomos e das substâncias que nos rodeiam, fornecendo a base para a Mecânica Quântica, por sua vez permitindo a compreensão teórica dos fenômenos químicos que servem de base para o universo. Hoje em dia em grandes centros de pesquisa se discuti as propriedades dos seres vivos e como alterá-las através da Genética Molecular. Estudam também a temperatura da Terra e a intensidade de radiação ultravioleta (UV) pelas colisões entre moléculas na atmosfera e ate calcular propriedades de compostos químicos os mais diversos, nas fases gasosa, líquida ou sólida, usando a Mecânica Quântica, e por meio de padrões emitidos durante a colisão pode-se até a “ver” o inicio de tudo que existe hoje.
Além de observar e explicar essas propriedades, os aceleradores são usados para fabricar equipamentos baseados nelas que hoje se tornaram indispensáveis a nossa vida cotidiana.
Por exemplo, os aparelhos eletrônicos funcionam baseados em componentes (os circuitos integrados ou "chips", que podem conter o equivalente a dezenas de milhões de transistores, antes dos aceleradores começarem a ser empregados nos anos 60 já eram fabricados válvulas, diodos e transistores - mas sem aceleradores os tamanhos de qualquer circuito eletrônico seriam milhões de vezes maiores que hoje.) fabricados por implantação de átomos de velocidade alta (obtida usando aceleradores de íons) em cristais de silício.
Alguns destes aparelhos, como microcomputadores ou simples televisões, são eles próprios aceleradores, acelerando elétrons até velocidades de 30% da velocidade da luz. Os microcircuitos de um computador são fabricados acelerando íons a dezenas de milhares de eV e jogando-os contra uma pastilha de silício. Estes aceleradores são chamados implantadores e sem eles não haveria nem a eletrônica moderna nem os computadores.
A próxima imagem revela um importante avanço nas empresar de informática.
Fonte: Revista Física
A utilização de feixes de luz para substituir o uso da eletricidade no transporte dos dados nos computadores. O protótipo de chip fotônico realizou, pela primeira vez, uma transmissão ópitica de dados com lasers integrados em um chip de silício.
4 INFORMAÇÕES DETALHADA SOBRE O LHC
A sigla LHC vem de LargeHádronCollider, que significa Grande Colisor de Hádrons, fica no CERN (Organização Europeia para a Investigação Nuclear), que é o maior centro de estudos sobre física de partículas do mundo.
O LHC consiste de um sistema acelerador de partículas (é o maior acelerador de partículas já construído) eletricamente carregadas numa trajetória (quase) circular, com setores especialmente preparados para gerar e controlar colisões frontais entre elas (em geral prótons).
Nesses setores há enormes detectores capazes de armazenar os eventos decorrentes das colisões, assim como sistemas de processamento de altíssimo desempenho. O LHC foi construído para colidir pedaços de matéria a energias nunca antes alcançadas. Os pedaços de matéria que irá acelerar no LHC são chamados de prótons Eles vêm de uma família de partículas dão aocolisor o seu nome, os Hádrons.
O LHC do CERN é o maior acelerador de partículas do mundo e seu principal objetivo é obter dados sobre colisões de feixes de partículas tanto de prótons a uma energia de 7TeV (1,12 microjoules) por partícula, ou núcleos de chumbo a energia de 574 TeV (92,0 microjoules) por núcleo. O laboratório localiza-se em um túnel de 27 km de circunferência, assim como a 175 metros abaixo do nível do solo na fronteira franco-suíça, próximo a Genebra, Suíça (IMAGICK).
Fonte: IMAGICK
O LHC ocupa um túnel subterrâneo de 27 km de circunferência, que na verdade foi aproveitadodo projeto LEP, desativado em 2000. Por questões topográficas e devido ao solo muito heterogêneo, o túnel teve que ser perfurado com considerável inclinação, e sua profundidade variam de 50m perto do Lago Leman, até 175m perto das montanhas do Jura. Isto mostra que o tamanho dos desafios no CERN é de natureza extremamente diversificada. O projeto LHC iniciou-se em 1995, mas o lançamento da proposta oficial é dos anos 80. Considerando as inclinações do terreno, a profundidade media dos tubos do acelerador e das câmeras de colisão é 100 metros abaixo do solo. Cientistas e engenheiros têm acesso ao túnel de serviço em que a maquinaria está instalada por meio de elevadores e escadas localizados em diversos pontos ao longo da circunferência do LHC. Significa que, para fazer reparos ou ajustes nesse setor, os técnicos devem descer uns 60 andares em alguns pontos do anel. O CERN está construindo estruturas de superfície nas quais cientistas podem coletar e analisar os dados gerados pelo LHC.
Abaixo: As várias instalações subterrâneas de pesquisa do CERN perto de Genebra, Suíça, destacando-se a maior, o LHC com 27 quilômetros de circunferência.
Fonte: IMAGICK.
O CERN tem empregado em suas instalações um conjunto de seis aceleradores e desaceleradores. Cada máquina desta cadeia tem por finalidade aumentar a energia do feixe das partículas antes de fornecê-las a experiências ou a outros aceleradores mais potentes.
Cadeia de aceleradores do CERN
Dois aceleradores lineares. O Linac2 que as acelera a 50 MeV para as injetar no ProtonSynchrotronBooster (PSB) e o Linac 3 que fornece íons pesados a 4.2 Mev para injeção no LEAR en:Low Energy IonRing .
O PSB do inglês 'ProtonSynchrotronBooster ou seja o 'booster' do PS que aumenta a energia das partículas geradas pelo Linac 2 antes de transferidas a outros aceleradores.
O LEIR do inglês 'Low Energy IonRing' que acelera as partículas de íons vindos do Linac3 antes de as enviar ao PS que foi para a ocasião remodelado mais uma vez a partir do anterior 'en:Low Energy AntiprotonRing' (LEAR).
O PS de 28 GeV, inaugurado em 1959 é o mais antigo acelerador do CERN ainda em funcionamento.
O SPS o SuperSíncroton de Prótons acelerador circular com um diâmetro de 2 km que funciona desde 1976 e que também tem as suas próprias experiências com alvo fixo.
A ISOLDE do inglês 'On-Line Isotope Mass Separator' en: ISOLDE que é usada para estudar núcleos instáveis. Os íons radiativos são produzidos pelo impacto de prótons a uma energia entre 1.0–1.4 GeV provenientes do PSB.
REX-ISOLDE aumenta o estado das cargas dos íons provenientes dos alvos de ISOLDE para acelerá-las a 3MeV.
O AD do inglês 'AntiprotonDecelerator' que reduz a velocidade dos antiprótons de cerca de 10% para experiência com antimatéria.
Existem também áreas ao longo da circunferência do LHC nas quais engenheiros e cientistas poderão conduzir experiências. É como se fossem gigantescos microscópios equipados com câmeras digitais, são eles os experimentos:
A Toroidal LHC ApparatuS (ATLAS) é o maior do grupo. Mede 46 metros de comprimento por 25 de largura e 25 de altura. Em seu núcleo existe um aparelho chamado rastreador interno, que detecta e analisa o momento das partículas que passam pelo detector ATLAS. Cercando o rastreador interno existe um calorímetro. Calorímetros medem a energia de partículas ao absorvê-las.
O Solenóide Compacto de Múons (CMS) é outro dos grandes detectores. Como o detector ATLAS, o CMS é um detector de propósitos gerais que detectará e medirá as subpartículas liberadas durante as colisões. O detector fica dentro de um imenso ímã solenóide capaz de criar um campo magnético cerca de 100 mil vezes mais forte do que o da Terra.
A Large Ion Collider Experiment (ALICE). Os engenheiros projetaram o grande experimento de colisão de íons (ALICE) para estudar colisões entre íons de ferro. Ao promover colisões de íons de ferro de alta energia, os cientistas esperam recriar as condições que existiram logo depois do Big Bang. Esperam que os íons se desfaçam em uma mistura de quarks e glúons. Um dos principais componentes do ALICE é a Câmara de Projeção de Tempo (TPC), que examinará e reconstituirá as trajetórias das partículas. Como o ATLAS e o CMS, o detector ALICE conta também com um espectrômetro de múons.
Large Hadron Collider beauty (LHCb).O propósito do LHCb é buscar indícios da antimatéria. Ele faz isso ao procurar por uma partícula conhecida como quark beauty. Uma série de subdetectores que cercam o ponto de colisão, estendem-se por uma distância de 20 metros. Os detectores podem ser movidos de maneiras minúsculas e precisas a fim de apanhar as partículas quark beauty, muito instáveis e que rapidamente decaem.
TOTalElasticanddiffractivecrosssectionMeasurement (TOTEM) é um dos dois detectores menores do LHC. A medição elástica e difrativa total de seção de choque determinarão o tamanho dos prótons e a luminosidade do LHC. Na física de partículas, luminosidade significa o grau de precisão com que um acelerador de partículas produz colisões.
Large Hadron Collider forward (LHCf). Esse experimento simula raios cósmicos em um ambiente controlado e seu objetivo é ajudar cientistas a desenvolver experimentos de grande área para estudar colisões entre raios cósmicos de ocorrência natural.
São 15 petabytes de dados (o que equivale a 15 milhões de gigabyes) recolhidos pelos detectores do LHC a cada ano. Mesmo com o uso de um supercomputador, processar tanta informação pode demorar milhares de horas. Enquanto isso, o LHC continuaria a acumularem ainda mais dados.
A solução do CERN para esse problema é a Grade de Computação do LHC. A grade é uma rede de computadores, cada um dos quais capaz de analisar por conta própria uma porção dos dados. Assim que um computador conclui sua análise, pode enviar as conclusões a um computador central e aceitar nova porção de dados brutos. Enquanto os cientistas puderem dividir os dados em porções.
Usando um tipo especial de software chamado midware, a rede de computadores poderá armazenar e analisar dados para todas as experiências conduzidas no LHC. A estrutura do sistema é organizada em escalões.
O escalão 0 é o sistema de computação do CERN, que processa as informações inicialmente e as divide em porções para os demais escalões.
Há 12 locais de escalão 1 localizados em diversos países que aceitarão dados do CERN por meio de conexões dedicadas de computação. Essas conexões terão capacidade de transmissão da ordem de 10 gigabytes por segundo. Os sites de escalão 1 processarão ainda mais os dados e os dividirão para despachá-los aos degraus inferiores da escala.
Paises onde os locais de escalão 1 estão localizados:
Canadá; França; Alemanha; Itália; Noruega; Suécia; Espanha; Suíça; Taiwan; Holanda; Reino Unido; Estados Unidos.
Mais de 100 locais de escalão 2 estão conectados aos locais de escalão 1. A maioria deles envolve universidades ou instituições científicas. Cada local terá múltiplos computadores disponíveis para processar a analisar dados. À medida que cada trabalho de processamento for concluído, os locais devolverão dados processados sistema acima. A conexão entre os locais de escalão 1 e de escalão 2 é uma conexão convencional de rede.
Qualquer local de escalão 2 terá acesso a qualquer lugar de escalão 1. O motivo é permitir que universidades e instituições de pesquisa se concentrem em informações e pesquisas específicas.
Razão de o LHC ser mantido a tão baixas temperaturas
A temperatura a que são refrigerados, os eletroímãs podem operar sem resistência elétrica. O LHC usa 9.798 toneladas de nitrogênio líquido para refrigerar os ímãs a -193,2 ºC (aproximadamente 80 K). Depois disto sistema deve ser resfriado de novo, usando desta vez 54toneladas de hélio líquido, até congelar os magnetos perto do zero absoluto entre 269 e 271 graus abaixo de zero (aproximadamente 1,9 K) para que possam funcionar em regime supercondutor (sem resistência elétrica). Este processo é gradual e pode demorar algumas semanas.
Paises que participaram do empreendimento
Como o CERN (Organização Européia para a Investigação Nuclear) é natural que os paises signatários da união européia sejam os principais envolvidos no projeto, porem como o LHC e um projeto de interesse mundial seus colaboradores vão muito alem de que somente os paises membros da união européia. Contudo o nome exato e o numero de paises participantes, são por vezes desencontrados, porem, segundo informações do próprio site do CERN os participantes oficiais do projeto são:
Paises membros da união européia: Áustria, Bélgica, Bulgária, Republica Checa, Dinamarca, Finlândia, França, Alemanha, Grécia, Hungria, Itália, Holanda, Noruega, Polônia, Portugal, Eslováquia, Espanha, Suécia, Suíça e Reino Unido.
Há também os paises classificados como membros observadores, que são aqueles constantemente envolvidos em programas do CERN, e estão são: Índia, Israel, Japão, Rússia, Turquia e Estados Unidos da América.
E ainda há os paises não membros, mas que também estão envolvidos de alguma maneira no projeto do LHC: Algeria, Argentina, Armênia, Austrália, Azerbaijão, Belarus, Brasil, Canadá, Chile, China, Colômbia, Croácia, Cuba, Chipre, Estónia, Geórgia, Islândia, Iran, Irlanda, Lituânia, México, Montenegro, Marrocos, New Zelândia, Paquistão, Peru, Romênia, Servia, Eslovênia, África do Sul, Coréia do Sul, Taiwan, Tailândia, Ucrânia e Vietnam.
Alem de todos estes paises envolvidos o CERN tem por volta de 2500 funcionários. E durante o ano em torno de 8000 cientistas visitantes, o que é a metade do número de cientistas de todo o mundo, vão ao CERN para algum tipo de pesquisa paralela. Estes cientistas representam 580 universidades e 85 nacionalidades ao redor do mundo. Números estes apresentados que dão uma idéia de grandeza e importância não só do LHC, mas também do CERN em geral.
Capital Investido
Em relação as informações técnicas e esclarecimentos obtidos sobre o LHC com a parte financeiro aplicada na construção do LHC é a mais desencontrada em números exatos, mas se pode ter uma boa noção que seu custo total supera os 5 bilhões de euros aproximadamente 15 bilhões de reais, custo este que foi bancado pelos governos de vários países e uma série de empresas privadas e multinacionais, todos interessados nos prováveis “frutos” de suas pesquisas.
Alem do capital inicial investido para a construção do LHC, há também um enorme custo para manter-lo em operação como dito a alguns parágrafos acima estimasse que o preço a se pagar pela energia atingirá 19 milhões de euros. Isso equivale a quase US$ 30 milhões ao ano em contas de eletricidade.
5 DESCRIÇÃO DO QUE OCORRE NA DIVISÃO DE PARTÍCULAS, COMO SURGEM NOVAS PARTÍCULAS E QUE INFORMAÇÕES ELAS PODEM PROPORCIONAR E PARA QUE SERVEM
As colisões entre prótons ocorrem com energias de 14 TeraeV, mas as interações previstas entre núcleos pesados podem superar o Peta eV.. As densidades também atingem valores astronômicos, centenas de vezes maiores que a do núcleo atômico.
Quando dois prótons colidem, dividem-se em partículas ainda menores. Isso inclui partículas subatômicas chamadas quarks e uma força que as mitiga chamada glúon. Os quarks são altamente instáveis e decaem em uma fração de segundo. esperada, As conseqüências fenomenológicas de semelhante cenário ficarão em evidência a partir da formação, de um plasma de quarks e glúonsque deveria surgir no momento da colisão. Este plasma é como uma "sopa quente" de componentes fundamentais equivalente à matéria constitutiva do Universo durante seu primeiro milionésimo de segundo de existência, 13,7 bilhões de anos atrás. No universo real, este plasma primordial foi se esfriando e, alguns milionésimos de segundo depois, deu origem aos hádrons. Só três longos minutos mais tarde, formaram-se os núcleos de hélio e hidrogênio que todos conhecemos, mas isso é outra história.
A idéiadoLHC é acompanhar o processo inicial, principalmente durante a primeira transição de fase, quando o Universo se "esfriou" a algo menos de um trilhão de graus. Mediante a análise dos rastros captados por sofisticados detectores de última geração, logo processados mediante um fabuloso sistema computacional (explicado alguns parágrafos acima) e mais tarde interpretados por especialistas, os físicos de partículas poderão tirar conclusões, ao que tudoindica, revolucionárias, entre essas encontrar até outras dimensões do espaço.
Mas talvez a maior expectativa dos cientistas e sobre a partícula de “Deus”. Em uma tentativa de compreender o nosso Universo, incluindo a maneira como ele funciona e sua estrutura efetiva, os cientistas propuseram uma teoria conhecida como Modelo Padrão. Essa teoria tenta definir e explicar as partículas fundamentais que tornam o Universo àquilo que ele é. Também lida com três das quatro forças básicas do Universo: a interação nuclear forte, ainteração nuclear fracae aforça eletromagnética. A teoria não trata dos efeitos da gravidade, a quarta força fundamental.
O Modelo Padrão faz diversas previsões, muita das quais parecem ser verdadeiras, de acordo com diversos experimentos. Mas há outros aspectos do modelo que continuam não comprovados. Um deles é uma partícula teórica conhecida como bóson de Higgs. O bóson de Higgs é uma partícula que poderia responder a diversas questões sobre massa. Por que a matéria tem massa? Os cientistas identificaram partículas que não têm massa, como os neutrinos. Por que um tipo de partícula teria massa e outra não? A melhor solução para esta pergunta foi apresentada por um físico Britânico, Peter Higgs. O campo Higgs é uma teoria de que toda partícula no universo está percorrendo um campo invisível de Higgs. E algumas partículas como os quarks e os elétrons adquirem massa ao atravessar este campo Considerando que partículas de massas menores, como os fótons não interagem com o campo Higgs, elas apenas passam pelo universo na velocidade da luz.
Este campo pode resolver o problema da massa zero no Modelo Padrão, mas o único problema é que não temos ainda a capacidade de detectá-lo. Mas há uma esperança, porque é uma lei da física quântica que todos os campos possuem uma partícula associada. E esta é uma previsão-chave desta teoria de Higgs que lá deve haver uma quanticidade deste campo, uma partícula associada com ele e isso é o que é chamado de o Bóson Higgs. Alguns cientistas esperam que os eventos criados pelo LHC também revelem indícios quanto à existência do bóson de Higgs.
Os cientistas do Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (CERN) anunciaram o descobrimento de uma nova partícula subatômica que pode ser o Bóson de Higgs, mais conhecido como a “partícula de Deus”. Durante uma conferência em Genebra, os cientistas anunciaram o que poderá enriquecer os estudos sobre a origem do universo.
A imagem traz a ilustração da partícula subatômica que pode ser o Bóson de Higgs.
6 ANÁLISE DA POSSIBILIDADE DE AS PARTÍCULAS PRODUZIDAS PODEREM ESCAPAR DO LHC PARA O MEIO AMBIENTE
O LHC permitirá que os cientistas observem colisões de partículas em um nível de energia muito mais alto do que em qualquer experiência prévia. Talvez por isto suas ações e conseqüênciascausam uma enorme preocupação com a possibilidade de que essas poderosas reações causem sérios problemas à Terra. Lembrando que o CERN levou isto tão a sério que fizeram disto uma tarefa de risco especial, somente para se certificar que não haveria nada disto acontecendo.
Um temor é o de que o LHC possa produzir buracos negros. Buracos negros são regiões na qual a matéria se concentra em um ponto de densidade infinita (uma definição mais elaborada pode ser vista no próximo tópico). Cientistas do CERN admitem que o LHC seria capaz de produzir buracos negros, mas alegam que estes teriam escala subatômica e que entrariam em colapso quase imediato. Já que, os buracos negros estudados pelos astrônomos resultam do colapso de toda uma estrela. Existe uma grande diferença entre a massa de uma estrela e a de um próton.
“Porem numa situação hipotética, se um buraco negro fosse produzido dentro do LHC, ele teria um tamanho milhões de vezes menor que um grão de areia, e não viveria mais
de 10−27 segundos, pois por ser um buraco negro, emitiria radiação e se extinguiria. Mas,
supondo que mesmo assim ele continuasse estável, continuaria sendo inofensivo. Esse buraco negro teria sido criado à velocidade da luz (300 mil km por segundo) e continuaria a passear neste ritmo se não desaparecesse. Em menos de 1 segundo ele atravessaria as paredes do LHC e se afastaria em direção ao espaço. A única maneira de ele permanecer na Terra é se sua velocidade for diminuída a 15 km por segundo. E, supondo que isto ocorresse, ele iria para o centro da Terra, devido à gravidade, mas continuaria não sendo ameaçador. Para representar perigo, seria preciso que ele adquirisse massa, mas com o tamanho de um próton, ele passaria pela Terra sem colidir com outra partícula (não parece, mas o mundo ultramicroscópico é quase todo formado por vazio), e ele só encontraria um próton para somar à sua massa a cada 30 minutos a 200 horas. Para chegar a ter 1 miligrama, seria preciso mais tempo do que a idade atual do universo.” Resposta esta amplamente difundida na internet exatamente formulada para esclarecer esta pergunta.
Há também a teoria que o LHC poderia gerar um monopólo magnético. Um monopólo é uma partícula que tem uma única carga magnética (norte ou sul) em vez de duas. A preocupação mencionada é a de que essas partículas possam dilacerar a matéria devido às suas cargas magnéticas desequilibradas. Cientistas do CERN discordam, alegando que, mesmo que os monopólos existam, não há motivo para temer que essas partículas possam causar tamanha destruição. De fato, pelo menos uma equipe de cientistas está tentando ativamente encontrar indícios de monopólos, na esperança de que o LHC produza alguns.
O LHC também esta sendo questionado sobre a radiação e o fato de que produzirá as colisões de partículas de mais elevada energia já vistas na Terra. O CERN afirma que o LHC é extremamente seguro, com isolamento espesso que inclui 100 metros de terra sobre o túnel. Além disso, não pode haver pessoal presente no subsolo durante as experiências. Quanto a preocupações com as colisões, os cientistas apontam que elas acontecem o tempo todo na natureza, com os raios cósmicos de altas energias. Os raios colidem com o Sol, com a Lua e com outros planetas, que continuam existindo sem sinal de danos. Com o LHC, essas colisões acontecerão em ambiente controlado.
7 DEFINIÇÃO DE BURACOS NEGROS, DE ANTIMATÉRIA E ANÁLISE SOBRE A RESPECTIVA PRODUÇÃO PELO LHC
Como esclarecido no tópico acima a maior duvida sobre o que pode ser produzido e como reagirá nos experimentos do LHC é sobre os buracos negros. Mas o que são estes buracos? E por que assusta tanto a possibilidade de criar algo parecido?
Basicamente um buraco negroé o que sobra quando morre uma gigantesca estrela. uma estrela é um imenso e incrível reator de fusão. Depois de permanecer um longo tempo brilhando forte e convertendo o seu hidrogênio em hélio, as estrelas entram em colapso. Quando a estrela morre, as reações de fusão nuclear são interrompidas, pois o combustível para essas reações é consumido. Seus destinos dependem de quão grandes elas são. As muito massivas como já vimos, explodem. No lugar das supernovas o núcleo original da estrela, que serviu de “apoio” para a explosão, se contraí. Às vezes surge em seu lugar uma pequena estrela que gira como um farol: é o pulsar. Outras vezes o núcleo não pára mais de se contrair e nasce um buraco negro.
No caso da matéria não parar de se contrair, a gravidade da estrela atrai a matéria para o interior e comprime o núcleo. À medida que o núcleo é comprimido, este se aquece e cria uma explosão, arremessando para o espaço a matéria e a radiação. O que fica é o núcleo altamente comprimido e extremamente maciço. A gravidade do núcleo é tão forte que nem a luz consegue escapar, por isso esse objeto literalmente desaparece da visão. Como a gravidade do núcleo é muito intensa, ele se afunda na estrutura do espaço-tempo, criando nele um buraco. Esse objeto é chamado de buraco negro.
A matéria adicionada em um disco ao redor de um buraco negro emite raios X – e foi assim que sua existência foi confirmada.
Fonte:FISICA.NET
Como explicado acima basicamente um buraco negro astronômico forma-se quando matéria suficiente é comprimida em um espaço suficientemente pequeno para chegar na densidade crítica. E se o fator essencial de acordo com a teoria for a densidade, a mesma densidade crítica poderia ser alcançada se duas partículas se chocassem violentamente (função do LHC), criando um buraco negro minúsculo.
Porem sabe-se que o que determina exatamente a quão violenta será colisão é o número de dimensões de nosso universo. Se há apenas as três dimensões de espaço, então para produzir buracos negros seriam necessárias partículas com energias muito além do que qualquer processo conhecido pode produzir.
Mas se o universo tem dimensões extras, como teorias de gravidade quântica prevêem então a gravidade poderia ser muito mais forte a distâncias curtas e atrair com mais força as duas partículas em colisão, assim que elas fiquem próximas o suficiente. A criação de buracos negros poderia então ser realizada no Grande Colisor de Hádrons, porem isto depende é claro de as previsões quânticas estarem corretas, mas mesmo que criassem em condições normais este mini buraco negro se colapsaria imediatamente, e se não, estaria sujeito a todo o mecanismo explica no tópico anterior (resposta formulada). Então uma tese formulada pelos críticos é do LHC e que não um mais milhares de mini buracos negros serão formados e se por alguma anomalia eles se jantassem antes de colapsar poderiam vir a causar a temida destruição de tudo.
Mesmo considerando praticamente impossível estes amontoados de “se’s” o CERN levou isto a sério a ponto de criarem a partir disto uma tarefa de risco especial,
somente para se certificar que não haveria nada disto acontecendo. E desde então físicos teóricos vem tentando prever o comportamento de tais buracos negros minúsculos. Um artigo de 2002 sugere que logo depois de ser criado, um buraco negro poderia desaparecer em dimensões extras, mas ninguém até agora descreveu o processo completamente.
Definição de antimatéria, e respectiva produção pelo lhc.
Em 1928, o físico britânico Paul A.M. Dirac revisou a famosa equação de Einstein, E=mc2 e concluiu que Einstein não considerou que o "m" na equação - massa - poderia ter propriedades tanto negativas como positivas. A equação de Dirac (E = + ou - mc2) permitiu considerar a existência de antipartículas no nosso universo, a partir daí deu-se inicio a pesquisa e procura pelo que seria estas antipartículas e qual seria seu comportamento, dando-se assim o nome de antimatéria.
Antimatéria é exatamente o que você pode entender pelo nome - o oposto da matéria normal, da qual é feita a maior parte do nosso universo. Essas antipartículas que conhecemos como antimatéria não passam de uma simetria da natureza, literalmente, imagens-espelho da matéria normal. Cada antipartícula possui a mesma massa que a sua partícula correspondente, mas as cargas elétricas são inversas.
Quando a antimatéria entra em contato com a matéria normal, essas partículas iguais, mas opostas, colidem para produzir uma explosão emitindo radiação pura, que é emanada a partir do ponto da explosão à velocidade da luz. Ambas as partículas que criaram a explosão são totalmente aniquiladas, transformando toda a massa de ambos os objetos em energia, deixando para trás outras partículas subatômicas.
Eis que neste ponto entra um fator muito curioso da antimatéria, se como dito antes, ao colidir matéria e antimatéria tudo se destrói como hoje existimos? É possível que partículas fossem mais numerosas que antipartículas no momento do Big Bang. Como dito acima, a colisão entre partículas e antipartículas destrói ambas. Como pode ter havido mais partículas no início do universo, elas são tudo o que restou. É possível, no entanto que exista um universo completamente igual ao nosso onde a antimatéria prevaleça, se um “anti-cientista” observar um elétron certamente o chamará de antimatéria.
Algumas descobertas sobre antimatéria no século XX:
• Pósitrons - elétrons com uma carga positiva ao invés de negativa. Descobertos por Carl Anderson em 1932, os pósitrons foram a primeira evidência de que a antimatéria existe;
• Antiprótons - prótons que possuem uma carga negativa ao invés da carga positiva normal; em 1955, pesquisadores de Berkeley Bevatron produziram um antipróton;
• Antiátomos - emparelhando pósitrons e antiprótons, cientistas do CERN (em inglês), a Organização Européia para a Pesquisa Nuclear, criaram o primeiro antiátomo; nove átomos de anti-hidrogênio foram criados, cada um durando apenas 40 nanosegundos; já em 1998, pesquisadores do CERN estavam impulsionando a produção de átomos de anti-hidrogênio para 2.000/h.
Fonte: WEBNALUZ
Mas porque a antimatéria seria importante para nos se ela basicamente se destrói ao entrar em contato com a matéria? Simples e fácil de responder: Energia. Cientistas acreditam que esta energia é mais poderosa do que qualquer outra, por isso há um enorme interesse em gerar e utilizar tal tecnologia.
Existe uma tecnologia disponível para criar antimatéria através da utilização de aceleradores de partículas de alta energia localizado no CERN (adivinha: LHC), são grandes
túneis revestidos com supermagnetos poderosos que os circundam para acelerar os átomos a velocidades próximas à da luz (informações detalhadas olhar tópico quatro). Quando um átomo é enviado através deste acelerador, ele colide com um alvo, criando partículas. Algumas dessas partículas são antipartículas que são separadas pelo campo magnético. Esses aceleradores de partículas de alta energia produzem apenas um ou dois picogramas de antiprótons por ano. Um picograma é um trilionésimo de uma grama.
A antimatéria fica guardada, e esta possui uma pequena, mas terrível massa, cuja força explosiva é 100 vezes maior que a do urânio com o qual se preparam as bombas atômicas. Ela é utilizada em experiências mediante as quais se tenta esclarecer alguns grandes mistérios científicos, como, por exemplo, a origem do Universo, pelo menos por enquanto, não oferece perigo, por ser usada em quantidades insignificantes. Considerando isto talvez até o LHC possa vir a ser tornar uma espécie de fabrica de antimatéria, porem o mais importante no momento não é somente produzir, mas sim encontrar uma forma segura de utilização de todo o seu potencial energético.
8 RESULTADOS OBTIDOS ATÉ O MOMENTO
Previsto para iniciar os trabalho de pesquisa em o 19 de setembro de 2008 o LHC sofreu um grande acidente dias após a primeira injeção de partículas no acelerador, uma falha elétrica provocou o vazamento de 6 toneladas de hélio liquidoultra-frio dentro do túnel. Uma faísca de alguns milhares de ampères vaporizou uma parte da conexão entre dois magnetos e danificou 29 destes dispositivos, alem de outros elementos. Calculava-se que os reparos levariam de 8 a 10 meses, ao longo dos quais o LHC permanecerá desativado, o que adiaria o iniciodos experimentos até, pelo menos, junho de 2009, porem os reparos e testes duraram mais que o previsto e o LHC só pode ser ligado novamente em novembro de 2009.
Eis que então na segunda quinzena de novembro mais precisamente dia 20 de novembro de 2009 o LHC retornou a funcionar e logo já atingiu uma marca recorde: atingiu a temperatura necessária para a realização de experimentos: -271° Celsius temperatura esta inferior à do espaço remoto. Tal temperatura é pouco superior ao ‘zero absoluto’ (-273°C). Mas para que se fosseminiciados os choques de alta energia deveria aguarda todo um processo o o que levou os mesmos ocorrerem só em março de 2010.
Terça-feira (30) às 8h06 (hora de Brasília), pela primeira vez, a colisão de feixes de prótons no acelerador gigante de partículas LHC no nível mais alto de energia já tentado, recriando as condições presentes no momento do Big Bang, que teria marcado o nascimento do universo, 13,7 bilhões de anos atrás. A experiência teve sucesso depois de duas tentativas frustradas durante a madrugada. De acordo com os pesquisadores, ela abre portas para uma nova fase da física moderna, ajudando a responder muitas perguntas sobre a origem do universo e da matéria.
As colisões múltiplas a uma energia recorde (7TeV, ou 7 trilhões de eletronvolts) criam "Big Bangs em miniatura", produzindo dados que milhares de cientistas passarão anos futuros analisando.
Acelerar prótons a 7 trilhões de eletronvolts significa que eles correm a 99,99% a velocidade da luz (cerca de 300 mil km por segundo), ou 11 mil voltas por segundo no megatúnel de 27 km. A partir desta colisão de energia recorde foi tirada milhares de fotografias que serão agora analisadas por potentes computadores ao redor do mundo (ver
tópico quatro) e tambem por cientistas, para que se possa concluir se e quantas das as respostas procuradas foram desvendadas.
9 CONCLUSÕES E APLICAÇÕES PRÁTICAS E ORIGINAIS DESCOBERTAS PELO GRUPO
Ao se falar de aceleradores de partículas estamos consequentemente falando de alta tecnologia e também de experimentos a um nível quântico que aparentemente seria útil apenas para se descobrir e estudar, mas é claro que qualquer nova descoberta a este nível poderia mudar completamente toda a base tecnológica que existe atualmente.
Considerando todas as informações vistas e também o conhecimento adquirido ao longo deste trabalho a primeira idéia que nos surgiu quando olhávamos para as utilidades dos aceleradores de partículas, foi de que, se utilizando aceleradores de partículas “comuns” tivemos uma evolução impressionante no campo de micro-chips e micro-circuitos, poderíamos seguir a mesma base para que no futuro talvez utilizemos aceleradores de partículas do porte do LHC para produção de circuitos integrados muito mais complexos e potentes para que os mesmos possam vir a fazer parte inicialmente dos melhores computadores a fim de que estes computadores possam efetuar cálculos muito mais complexos e com um numero muito maior de variáveis. Tal tecnologia representaria um enorme avanço na área de previsões dos aspectos da terra, como por exemplo, identificar a partir de sinais e condições atuais os riscos e com precisão antever terremotos, tempestades, tsunamis, erupções e vários outros eventos naturais do planeta que ainda hoje mesmo sabendo ser possível prever, não tem-se computadores tão potentes para identificar tais eventos suficientemente cedo antes de acontecer a ponto de salvarmos as milhares de vidas perdidas nessas catástrofes naturais.
A também uma aplicação mais obvia com as conseqüências dos aceleradores de partículas, se o LHC for capaz de produzir antimatéria suficiente a ponto de que possamos utilizá-la como uma nova fonte de energia mais potente do que qualquer outra fonte de energia já vista na face da terra. É claro que só produzir não é suficiente, teríamos de criar aparelhos que pudessem se aproveitar da antimatéria de forma segura. Talvez esta inovação seja uma das mais importantes da historias da humanidade, visto as fontes de energia atuais estão se esgotando, como o petróleo e o carvão mineral. Vale considerar que o planeta já esta se saturando da utilização de energias poluentes e devastadoras e a antimatéria vai ao oposto disso, não polui e também considerado a capacidade energética da antimatéria é necessário pequena quantidade de antimatéria para que se obtenha grande energia.
Parece até um paradoxo que quanto menor a coisa pela qual você procura maior é o instrumento que você precisa. E é justamente neste paradoxo que se encaixa o LHC, procurando minúsculas coisas, mas com um potencial de mudar tudo o que nos sabemos sobre tudo.
É normal termos medo e insegurança sobre coisas que a maioria da população sequer imagina que exista, mas é facilmente observado que o medo é muito mais pelo que não conhecemos do que pelo que realmente poderia acontecer. Um exemplo muito facilmente notável disso é a idéia que mais apavora até mesmo cientistas renomados e sobre a possibilidade de se criar buracos negros, uma coisa que ninguém sabe ao certo se isto é realmente uma conseqüência do LHC, enquanto sobre a antimatéria que os cientistas podem afirmar que realmente conhecem e que com certeza será formada pelo LHC pouco se comenta mesmo todos sabendo do potencia destrutivo dela.
Não há sentido em teorizar sobre muitas coisas por ai se nos realmente queremos entender como universo funciona e entendendo o universo macro consequentemente estaremos mais próximo de entender o micro de que todos são feitos. Isto poderia ser tanto o inicio do fim quando provarmos que nossas teorias de que o que existiu logo após o Big Bang estão certas, ou isto poderia ser o fim do início onde descobriremos que o universo é mais misterioso e mais lindo do que possivelmente poderíamos ter imaginado.
É importante para saber quem somos agora, saber de onde viemos no passado, e conseqüentemente para onde vamos no futuro.
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