PRÁTICA DE ENSINO DE FÍSICA MODERNA
Large Ion Collider Experiment (Alice)
É um detector para estudo das colisões de íons de chumbo. Nesse experimento são estudados quarks e glúons (que serão detalhados mais a frente).
Toroidal LHC Apparatus (Atlas) e Compact Muon Solenoid (CMS)
Nesses detectores são analisados um grande número de partículas surgidas nas colisões. Nesses experimentos os físicos esperam que apareça o bóson de Higgs, as dimensões extras e partículas que poderiam torna-se matéria escura. Em 2012, os cientistas anunciaram que haviam detectado supostamente a “Partícula de Deus”, como é conhecida o bóson de Higgs, mas para que isso seja de fato confirmado, requer que sejam feitas mais análises de milhões de colisões de partículas.
Apesar de necessitar de muitos estudos, já existem indícios da existência do bóson de Higgs. Assista ao vídeo ao lado e veja o impacto que esta notícia trouxe nos últimos anos!
Large Hadron Collider beauty (LHCb)
É um detector onde são estudadas colisões que buscam identificar o motivo pelo qual nosso universo tem mais matéria que antimatéria.
Mas antes de chegar a estes compartimentos, os feixes de partículas perfazem cinco estágios. Abaixo, vamos detalhar cada um deles em particular, mas antes é preciso esclarecer que vamos exemplificar o funcionamento com prótons,mas além deles também podem ser acelerados íons de chumbo.
Sugerimos que você acompanhe a descrição de cada estágio observando a figura abaixo:
1º Estágio: Uma vez que os átomos de hidrogênio consistem num próton e num elétron, as partículas que são aceleradas no LHC, provêm de uma garrafa de gás de hidrogênio. Como pode ser observado na representação ao lado, o hidrogênio é colocado numa câmara de alimentação, onde os prótons são separados dos elétrons por meio de uma descarga elétrica, isto é, quando o hidrogênio é submetido a descarga elétrica, permite-se que a energia de ligação (entre o próton e elétron) seja vencida, resultando na separação dos elétrons, isso porque quando o átomo adquire energia suficiente o elétron se desmembra do núcleo, em virtude de absorção de energia passando a estados energéticos mais elevados, ficando assim átomos de hidrogênio ionizado, constituídos por um próton em seu núcleo, juntamente com um nêutron e um elétron orbitando ao seu redor.
2º Estágio: Nessa fase acontece a primeira aceleração dos prótons. Num acelerador linear, denominado de Linear acellerator (Linac), é inserido o feixe de partículas. O acelerador fornece a cada próton uma energia de 50 MeV, suficiente para que os prótons atinjam aproximadamente 1/3 da velocidade da luz. Caso você não recorde, um elétron-volt (eV) representa a energia que um elétron adquire ao ser acelerado por uma diferença de potencial de 1 V. É uma unidade de energia comumente utilizada em física nuclear.
3º Estágio: Depois de passarem pelo Linac, os prótons são inseridos num acelerador circular, denominado na representação acima de Booster, onde através de um campo elétrico, são acelerados a uma velocidade de aproximadamente 91% da velocidade da luz. Nesse tipo de acelerador, o campo magnético também é responsável pela direção, ou seja pela movimento curvo dos feixes de prótons.
4º Estágio: Nesse processo, os prótons são lançados em mais um acelerador circular, o Próton Synchrotron (PS). Nesse acelerador, é fornecido uma energia de 25 GeV, aos prótons que chegam a atingir aproximadamente 99,93 % da velocidade da luz.
5º Estágio: Esta é a última fase, antes dos feixes chegarem ao LHC. Os prótons são direcionados ao SPS (Super Próton Synchroton), um acelerador circular capaz de fornecer aos prótons 450 Gev de energia. Nesse estágio os elétrons atingem a velocidade de 99,9998% da velocidade da luz. Observe que é nesse compartimento que os feixes são direcionados em caminhos opostos.
Chegamos então a nossa última etapa, o LHC. É nele então que cada próton receberá a energia de 7 TeV, alcançando a velocidade de 99,9999991% da velocidade da luz. Esta é aproximadamente a velocidade máxima que pode ser alcançada, uma vez que, de acordo com a teoria da relatividade, a velocidade da luz no vácuo é a velocidade máxima possível de transmissão de interação na Natureza.
É preciso destacar que, quando os feixes de prótons se chocam, estas colisões produzem, além de partículas subatômicas, radiação - convertendo energia em massa, como descreveu Albert Einstein na famosa equação E = mc².Como já mencionado anteriormente a unidade de energia é o elétron-volt. Essa é a energia ganha por um elétron quando o mesmo é submetido a uma diferença de potencial de 1 Volt.
A título de curiosidade, se analisarmos a equação da energia descrita por Einsten (E=mc²), depois de completamente acelerado, um feixe de prótons que pode ser comparado ao tamanho de uma agulha de costura, com cerca de bilhões de partículas, terá energia equivalente a um trem de 400 toneladas viajando a 150 km/h (BISCUOLA, 2013). Se convertermos isso em números, perceberemos que é muita energia.
Mas como é possível falarmos em energia utilizando como unidade de medida da massa? Pela relatividade, existe uma equivalência entre massa e energia. Por esse motivo, a massa é dada em unidades de energia.
E esse é o ponto principal do LHC, pois pesquisadores acreditam que, ao chocarem de frente, os prótons tem energia suficiente para recriar, uma proporção menor, um big-bang e consequentemente reproduzir as partículas presentes no surgimento do Universo.
Imagine agora quanta tecnologia que foi desenvolvida para colocar em funcionamento esse acelerador. Mais curioso ainda, é a tecnologia que retorna à sociedade, em virtude dos experimentos em aceleradores de partículas. Como exemplo temos a imagem na Ressonância Magnética Nuclear, a terapia contra o câncer; e as descobertas para a física de partículas.
Aprenda brincando
A fim de que você compreenda um pouco mais sobre como funciona este aparelho, abaixo temos um simulador desse processo. Todavia, é necessário um domínio do inglês. Mas, acreditamos que a partir dos indicadores do passo a passo que são mostrados ao longo do simulação você conseguirá entender um pouco mais sobre o funcionamento do LHC. Aprenda mais e divirta-se!