Grande Colisor de Hádrons - Qual a utilidade do superacelerador de partículas?

• CERN - European Organization for Nuclear Research
• A aventura das partículas
• Física de partículas
• Aceleradores de partículas
• Conselho Europeu para Pesquisas Nucleares

O LHC (Large Hadron Collider - Grande Colisor de Hádrons) é um superacelerador de partículas, construído no mesmo túnel do LEP (Large Electron Pósitron Ring), que começou a funcionar em outubro de 2008.

O LEP começou a ser desmontado em 2002 para a construção do LHC. E daquele ano até 2008 foram consumidos bilhões de dólares, representando um dos maiores investimentos científicos do mundo. O LHC é considerado uma das maiores maravilhas tecnológicas de todos os tempos.

Para que serve o acelerador de partículas?

Imagine a seguinte situação: um carro com velocidade de 40 km/h colide com outro carro, de mesma velocidade, mas em sentido contrário. Ambos possuem uma energia que chamamos de cinética, já que têm massa e velocidade $$\mathit{\text{E}}=\frac{\mathit{\text{m}}\text{.}{\mathit{\text{v}}}^2}{2}$$ . E, no momento do impacto, essa energia é liberada, resultando em deformação do metal, calor (atrito) e energia sonora.

Agora, imaginemos a mesma situação, porém com os carros acelerados de forma a atingir velocidades maiores. Supondo, por exemplo, que essa velocidade seja de 100 km/h para cada carro, teremos aqui um grande aumento de energia cinética, já que, na expressão que utilizamos para determinar seu valor, a velocidade aparece elevada ao quadrado (40² = 1600 e 100² = 10000, veja a diferença!), e esse acréscimo de energia resultará num impacto muito maior, com uma deformação também maior do material que compõe o carro, bem como em mais calor e mais "barulho" (energia sonora).

Podemos dizer que a aceleração imprimida aos carros resultou em uma liberação maior de energia no momento da colisão.

É praticamente isso que será feito no LHC. Porém, em vez de carros, serão utilizadas grandes quantidades de hádrons (partículas sujeitas à interação forte, que mantêm a coesão nuclear, e constituídas de quarks), no caso prótons, partículas que possuem massa. Esses prótons serão acelerados de forma a aumentar muito sua velocidade, a fim de que colidam com outros prótons, também acelerados, que se deslocam em sentido contrário.

O que buscam os cientistas?

Os prótons possuem massas relativamente pequenas, porém serão acelerados até atingirem velocidades que chegarão a 99,9% da velocidade da luz no vácuo $$\text{c}\cong 300000\text{km/s}$$ . Com as colisões ocorrendo a essa velocidade, teremos liberação de uma quantidade enorme de energia. Tal liberação será objeto de estudo dos pesquisadores e físicos, que tentarão:

• Validar, aperfeiçoar ou mesmo substituir o chamado Modelo Padrão (Standard), que é utilizado atualmente para explicar as partículas elementares e suas interações. Isso será feito buscando provas experimentais de algumas previsões do modelo, que não foram detectadas ou que não estão bem esclarecidas.
  
  Existem quatro tipos de interações conhecidas: 1) força nuclear forte; b) força nuclear fraca; c) força eletromagnética e d) força gravitacional. Os físicos buscam uma teoria de unificação das quatro forças, mas a força gravitacional ainda não faz parte do Modelo Padrão. Os trabalhos realizados no LHC podem reforçar essa tentativa de unificação ou refutá-la, indicando a necessidade de novos modelos.

• Trabalhar com fenômenos físicos que ocorrem em condições muito específicas de altíssimas energias em volumes pequenos de espaço. Serão criadas condições similares àquelas ocorridas pouco depois do evento de origem do universo.
  
  Dentro dessas duas perspectivas básicas, de testar a eficiência do Modelo Padrão e recriar situações parecidas com aquelas do momento que o universo surgiu, os pesquisadores estarão atentos a três fatos:
  
  1. Detecção do chamado bóson de Higgs, que é uma partícula prevista no Modelo Padrão e seria responsável por transportar a energia de um campo denominado Campo de Higgs. Durante as interações com esse Campo de Higgs, outras partículas ganharam massa, graças ao bóson de Higgs, originando a matéria. Esse processo é chamado no Modelo Padrão de mecanismo de Higgs. Segundo esse mecanismo, o bóson de Higgs é responsável por gerar massa nos bósons Z⁰ e W⁺ (que são mediadores da força fraca) e também permite que o fóton (que é mediador da força eletromagnética) seja considerado o mesmo tipo de partícula dos bósons Z⁰ e W⁺. Existe uma grande expectativa a cerca da detecção do bóson de Higgs.
  
  2. Descobrir a razão da existência de maior quantidade de matéria no universo em relação à de antimatéria. Ambas deveriam existir na mesma proporção quando o universo foi criado (Teoria do Big Bang), porém o universo "observável" é predominantemente composto de matéria. Existe uma teoria, desde 1970, conhecida como CKM. Essa teoria é consolidada, pois previu dois novos quarks, o top e o bottom, que foram detectados posteriormente, e explica parte da desigualdade entre as quantidades de matéria e antimatéria - porém, não consegue explicar o total da diferença.
  
  3. Tentativa de reprodução do estado primordial. O Modelo Padrão prevê, por meio da chamada cromodinâmica quântica, um estado primordial, que deve ter existido aproximadamente a 10^-32 segundos após o Big Bang, com temperaturas iniciais em torno de 10²⁷°C (e resfriando nos momentos posteriores). Nesse estado não existiam prótons nem nêutrons, e sim uma espécie de sopa de energia e partículas elementares, formada de quarks e glúons, sendo estes últimos responsáveis por manter os quarks unidos. No LHC espera-se atingir temperaturas da ordem de 10²⁰ °C, para conseguir esse estado, o que será feito por meio de colisões com núcleos de chumbo.
  
  O que ocorrerá durante as experiências? No LHC, feixes com cerca de 3 trilhões de prótons serão acelerados por equipamentos de radiofrequência associados a campos elétricos. E cada vez que passar por esses campos, o feixe de prótons terá sua velocidade e sua energia aumentadas. Para evitar resistência ao movimento dos prótons, o LHC foi projetado para trabalhar com um vácuo artificial, onde teremos uma quantidade de matéria inferior àquela encontrada no espaço a 1.000 km de altitude.
  
  Quando o feixe de prótons estiver com o máximo de energia, ocorrerão colisões frontais com outros prótons numa taxa de 40 milhões por segundo. Nessas colisões serão liberadas quantidades enormes de energia e milhares de partículas com massas variadas (inclusive outros prótons) serão obtidas em cada uma das colisões.
  
  Teremos, então, uma transformação de energia em matéria que é baseada na equação de Einstein, E = m.c², que nos diz que uma pequena porção de matéria pode gerar uma quantidade gigantesca de energia. Esse é o mesmo princípio utilizado nas bombas atômicas da Segunda Guerra Mundial, onde poucos quilos de material radioativo liberaram uma enorme quantidade de energia. Mas aqui ocorrerá a situação inversa, já que a energia liberada nas colisões de partículas irá produzir matéria.
  
  Com o LHC serão atingidas energias de até 14 TeV (1 TeV = 10¹² eV) para o feixe de partículas, resultando aos quarks energias da ordem de 1 TeV. Durante o funcionamento do LHC, cada próton dará aproximadamente 11 mil voltas por segundo no anel de 27 km do acelerador. Nesse momento, eles terão por volta de 7 TeV de energia - e no momento das colisões deverão atingir os 14 TeV previstos.
  
  Para adquirir essa energia, o feixe de prótons deverá passar pelo anel várias vezes, sempre acelerado por um campo elétrico. Para que esse feixe de elétrons mantenha uma trajetória circular e não siga em linha reta (inércia) serão utilizados campos magnéticos associados a grandes ímãs supercondutores.
  
  Buscando uma eficiência maior, esse material será resfriado a uma temperatura de -271°C (temperatura próxima ao "zero absoluto", que corresponde a $$\cong -273$$ ). Esse resfriamento torna o ímã um supercondutor, pois a resistência dos metais que o compõem torna-se praticamente nula, fazendo com que conduzam a eletricidade praticamente sem perda de energia, na forma de calor dissipado. Os materiais utilizados nesses ímãs são formados, basicamente, por uma liga de cobre, titânio e nióbio. Aliás, há grandes reservas de nióbio no Brasil.
  
  Após as colisões, teremos a criação de matéria em estados similares àqueles existentes no início do universo. Tudo que ocorrer durante as colisões dessas partículas subatômicas será coletado, registrado e analisado por quatro detectores, instalados em cavernas ao longo do acelerador. Esses quatro detectores são: Alice (A Large Íon Collision Experiment), Atlas (A Toroidal LHC ApparatuS), LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment) e CMS (Compact Muon Solenoid). E cada um deles terá funções específicas pré-determinadas pelos pesquisadores.
  
  O LHC é motivo de orgulho para comunidade científica. Toda a tecnologia utilizada, desenvolvida e em desenvolvimento, trará grandes benefícios à humanidade, com grandes avanços na área de comunicação e transmissão de dados, medicina, engenharia, física e química, entre outras.