O QUE é O ACELERADOR DE PARTíCULAS DO CERN?

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E se fosse possível observar os blocos de construção fundamentais nos quais o Universo se baseia? Não é um problema! Tudo o que você precisa é de um acelerador massivo de partículas, uma instalação subterrânea grande o suficiente para atravessar uma fronteira entre dois países e a capacidade de acelerar partículas até o ponto em que elas se aniquilam - liberando energia e massa que você poderia observar com uma série de monitores especiais.

Bem, por sorte, essa instalação já existe e é conhecida como LHC (Large Hardron Collider) do CERN, também conhecido como Acelerador de Partículas do CERN. Medindo aproximadamente 27 quilômetros de circunferência e localizado bem abaixo da superfície, perto de Genebra, na Suíça, é o maior acelerador de partículas do mundo. E desde que o CERN ligou o interruptor, o LHC lançou alguma luz séria sobre alguns mistérios mais profundos do Universo.

Objetivo:

Colliders, por definição, são um tipo de acelerador de partículas que depende de dois feixes de partículas direcionados. As partículas são aceleradas nesses instrumentos para energias cinéticas muito altas e, em seguida, obrigadas a colidir umas com as outras. Os subprodutos dessas colisões são então analisados pelos cientistas, a fim de determinar a estrutura do mundo subatômico e as leis que o governam.

O objetivo dos colisores é simular o tipo de colisão de alta energia para produzir subprodutos de partículas que, de outra forma, não existiriam na natureza. Além disso, esses tipos de subprodutos de partículas decaem após um período muito curto e, portanto, são difíceis ou quase impossíveis de estudar em condições normais.

O termo hadrão refere-se a partículas compostas compostas de quarks que são mantidos juntos pela força nuclear forte, uma das quatro forças que governam a interação das partículas (as outras são força nuclear fraca, eletromagnetismo e gravidade). Os hádrons mais conhecidos são os bárions - prótons e nêutrons - mas também incluem mésons e partículas instáveis compostas por um quark e um antiquark.

Projeto:

O LHC opera acelerando dois feixes de "hádrons" - prótons ou íons de chumbo - em direções opostas ao redor de seu aparato circular. Os hádrons colidem depois de atingirem níveis muito altos de energia e as partículas resultantes são analisadas e estudadas. É o maior acelerador de alta energia do mundo, medindo 27 km (17 milhas) de circunferência e a uma profundidade de 50 a 175 m (164 a 574 pés).

O túnel que abriga o colisor tem 3,8 metros de largura e foi usado anteriormente para abrigar o Large Electron-Positron Collider (que operou entre 1989 e 2000). Esse túnel contém duas linhas de luz paralelas adjacentes que se cruzam em quatro pontos, cada uma contendo uma viga que viaja em direções opostas ao redor do anel. O feixe é controlado por 1.232 ímãs de dipolo, enquanto 392 ímãs de quadrupolo são usados para manter os feixes focados.

Cerca de 10.000 ímãs supercondutores são usados no total, que são mantidos a uma temperatura operacional de -271,25 ° C (-456,25 ° F) - que é apenas a zero absoluto - por aproximadamente 96 toneladas de hélio líquido-4. Isso também torna o LHC a maior instalação criogênica do mundo.

Ao conduzir colisões de prótons, o processo começa com o acelerador linear de partículas (LINAC 2). Depois que o LINAC 2 aumenta a energia dos prótons, essas partículas são injetadas no PSB (Proton Synchrotron Booster), que as acelera a altas velocidades.

Eles são injetados no Proton Synchrotron (PS) e depois no Super Proton Synchrtron (SPS), onde são acelerados ainda mais antes de serem injetados no acelerador principal. Uma vez lá, os grupos de prótons são acumulados e acelerados para o pico de energia por um período de 20 minutos. Por fim, circulam por um período de 5 a 24 horas, durante o qual ocorrem colisões nos quatro pontos de interseção.

Durante períodos mais curtos, colisões de íons pesados (geralmente íons de chumbo) são incluídas no programa. Os íons de chumbo são primeiro acelerados pelo acelerador linear LINAC 3, e o anel de íons de baixa energia (LEIR) é usado como uma unidade de armazenamento e resfriamento de íons. Os íons são mais acelerados pelo PS e SPS antes de serem injetados no anel LHC.

Enquanto prótons e íons de chumbo estão sendo colididos, sete detectores são usados para verificar seus subprodutos. Isso inclui o experimento A Toroidal LHC ApparatuS (ATLAS) e o Compact Muon Solenóide (CMS), que são detectores de uso geral projetados para ver muitos tipos diferentes de partículas subatômicas.

Depois, há os detectores mais específicos A Large Ion Collider Experiment (ALICE) e Large Hadron Collider Beauty (LHCb). Enquanto o ALICE é um detector de íons pesados que estuda matéria que interage fortemente com densidades extremas de energia, o LHCb registra o decaimento de partículas e tenta filtrar os quarks be anti-b dos produtos de seu decaimento.

Depois, há os três detectores pequenos e altamente especializados - o experimento TOTal Elastic e difractive cross section Measurement (TOTEM), que mede a seção transversal total, espalhamento elástico e processos de difração; o Monopole & Exotics Detector (MoEDAL), que pesquisa monopólos magnéticos ou partículas carregadas (pseudo-) estáveis em massa; e o Large Hadron Collider forward (LHCf), que monitora as astropartículas (também conhecidas como raios cósmicos).

História da Operação:

O CERN, sigla para Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (ou Conselho Europeu de Pesquisa Nuclear em inglês) foi criado em 29 de setembro de 1954 por doze países signatários da Europa Ocidental. O principal objetivo do conselho era supervisionar a criação de um laboratório de física de partículas em Genebra, onde seriam realizados estudos nucleares.

Logo após sua criação, o laboratório foi além disso e também começou a realizar pesquisas em física de alta energia. Também cresceu para incluir vinte estados membros europeus: França, Suíça, Alemanha, Bélgica, Holanda, Dinamarca, Noruega, Suécia, Finlândia, Espanha, Portugal, Grécia, Itália, Reino Unido, Polônia, Hungria, República Tcheca e Eslováquia. , Bulgária e Israel.

A construção do LHC foi aprovada em 1995 e estava prevista para ser concluída em 2005. No entanto, excedentes de custos, cortes no orçamento e várias dificuldades de engenharia levaram a data de conclusão para abril de 2007. O LHC ficou online em 10 de setembro de 2008, mas o teste inicial foi adiado por 14 meses após um acidente que causou danos extensos a muitos dos principais componentes do colisor (como os ímãs supercondutores).

Em 20 de novembro de 2009, o LHC foi colocado novamente online e sua Primeira Execução foi executada de 2010 a 2013. Durante essa execução, colidiu dois feixes de partículas opostas de prótons e núcleos de chumbo com energias de 4 teraelétron-volts (4 TeV) e 2,76 TeV por nucleon, respectivamente. O principal objetivo do LHC é recriar as condições logo após o Big Bang, quando colisões entre partículas de alta energia estavam ocorrendo.

Principais descobertas:

Durante sua Primeira Execução, as descobertas do LHCs incluíram uma partícula considerada o muito procurado Higgs Boson, anunciada em 4 de julho de 2012. Essa partícula, que fornece massa a outras partículas, é uma parte essencial do Modelo Padrão de Física . Devido à sua alta massa e natureza indescritível, a existência dessa partícula se baseava apenas na teoria e nunca havia sido observada anteriormente.

A descoberta do Bóson de Higgs e a operação em andamento do LHC também permitiram aos pesquisadores investigar a física além do Modelo Padrão. Isso incluiu testes relativos à teoria da supersimetria. Os resultados mostram que certos tipos de decaimento de partículas são menos comuns do que algumas formas de supersimetria prevêem, mas ainda podem corresponder às previsões de outras versões da teoria da supersimetria.

Em maio de 2011, foi relatado que o plasma de quarks-glúons (teoricamente, a matéria mais densa além dos buracos negros) havia sido criado no LHC. Em 19 de novembro de 2014, o experimento com LHCb anunciou a descoberta de duas novas partículas subatômicas pesadas, ambas bariones compostas de um quark inferior, um inferior e um estranho. A colaboração do LHCb também observou vários hádrons exóticos durante a primeira execução, possivelmente pentaquarks ou tetraquarks.

Desde 2015, o LHC realiza sua Segunda Execução. Nesse período, ele se dedicou a confirmar a detecção do bóson de Higgs e a fazer novas investigações sobre a teoria da supersimetria e a existência de partículas exóticas em níveis de energia mais altos.

Nos próximos anos, o LHC está programado para uma série de atualizações para garantir que ele não sofra com retornos reduzidos. Em 2017-18, o LHC está programado para sofrer uma atualização que aumentará sua energia de colisão para 14 TeV. Além disso, após 2022, o detector ATLAS deve receber uma atualização projetada para aumentar a probabilidade de detectar processos raros, conhecido como LHC de alta luminosidade.

O esforço de pesquisa colaborativa conhecido como Programa de Pesquisa de Aceleradores do LHC (LARP) está atualmente conduzindo pesquisas sobre como atualizar ainda mais o LHC. O principal deles é o aumento da corrente do feixe e a modificação das duas regiões de interação de alta luminosidade e os detectores ATLAS e CMS.

Quem sabe o que o LHC descobrirá entre agora e o dia em que finalmente desligará a energia? Com sorte, esclarecerá os mistérios mais profundos do Universo, que podem incluir a estrutura profunda do espaço e do tempo, a interseção da mecânica quântica e da relatividade geral, a relação entre matéria e antimatéria e a existência de “Matéria Negra”. ”.

Escrevemos muitos artigos sobre o CERN e o LHC for Space Magazine. Aqui está o que é o bóson de Higgs ?, a máquina Hype esvazia após os dados do CERN não mostrarem nova partícula, o BICEP2 de novo? Pesquisadores colocam a descoberta do bóson de Higgs em dúvida, duas novas partículas subatômicas encontradas, uma nova partícula está prestes a ser anunciada ?, Físicos talvez, apenas talvez, confirmem a possível descoberta da 5ª força da natureza.

Se você quiser obter mais informações sobre o Large Hadron Collider, consulte a página inicial do LHC e aqui está um link para o site do CERN.

Astronomy Cast também tem alguns episódios sobre o assunto. Ouça aqui, episódio 69: The Large Hadron Collider e The Search the Higgs Boson e episódio 392: The Standard Model - Intro.

Fontes: