LHC (Large Hadron Collider, Grande Colisor de Hádrons)

O que encontraremos dentro do átomo

Por Leon Lederman Newsweek – 15 de Setembro, 2008

O telescópio que Galileu construiu no fim de 1500 tinha o poder de ampliação de um par de binóculos baratos disponíveis em qualquer supermercado, mas foi o suficiente para quebrar fronteiras. Com esse simples instrumento, Galileu pôde observar que Júpiter possui quatro luas, que o sol possui manchas, levando à conclusão de que este estava em rotação. Espetacularmente, ele descobriu que Vênus tinha fases – forte evidência de que a visão de Copérnico do Sistema Solar, em que o sol, e não a Terra está ao centro é correta. Com a construção de telescópios mais aprimorados, o conhecimento desse novo e complexo mundo, assim como do cosmos, evoluiu. Tomamos ciência de um universo vasto repleto de objetos estranhos – pulsares, quasares e buracos negros – e que somos habitantes de um ponto insignificante, parte de uma galáxia com bilhões de estrelas com seus próprios sistemas solares.

Com algumas pequenas mudanças técnicas, o telescópio foi voltado para o micro. O microscópio revelou um vasto, complexo mundo de micróbios tão pequenos que milhares caberiam confortavelmente no ponto final dessa frase. Finalmente, esse mundo veio a incluir a genética, biologia, vírus e estranhas estruturas milhares de vezes menores que os micróbios: os átomos! Para explicar o comportamento desses, os cientistas criaram a teoria quântica, o que levou ao desenvolvimento de semicondutores e outras tecnologias, responsáveis por grande parte dos investimentos econômicos do século XX.

Tamanho é o poder de um bom instrumento. Já que a natureza envolve coisas extremamente pequenas, distantes ou sutis de se ver, o avanço científico sempre exigiu a invenção de equipamentos mais precisos. Hoje, o mundo científico está presenciando a conclusão de uma nova máquina, o LHC (Large Hadron Collider, Grande Colisor de Hádrons), que não é apenas um par de binóculos barato. Espera-se que o avanço da propriedade dos objetos seja o maior fator na história da física das partículas- de certa forma- muitas vezes além do que pode ser alcançado hoje em dia. O LHC é um acelerador de partículas – um túnel circular monstruoso com 4,3 km em radianos, localizado na CERN (Organização Européia de Pesquisas Nucleares), na fronteira franco-suíça próxima a Genebra. No túnel, poderosos ímãs supercondutores conduzem prótons ao redor de um anel onde enormes voltagens os aceleram até que os prótons ganhem uma impressionante quantidade de energia -7 trilhões de volts em seu ponto máximo. Nos próximos meses, enquanto técnicos trazem a vasta maquinaria à tona, milhares de prótons energizados serão colididos um contra o outro, fazendo com que se rompam em milhares de partículas, cujas curtas e violentas existências serão gravadas por detectores. Mesmo o LHC não sendo o primeiro colisor já construído, ele possui a maior energia. Isso significa que as colisões que acontecerão no LHC serão mais violentas, tendo a capacidade de produzir 100 vezes mais o número de colisões por segundo do que qualquer outro colisor.

Como o telescópio de Galileu, o LHC dará aos cientistas a noção de um novo mundo, tanto no campo micro quanto, indiretamente, no macro. O que os cientistas verão com o LHC? O alcance e a sensibilidade da máquina podem muito bem revelar um novo mundo, um presente para o século XXI. Que tipo de mundo? Diferentemente das implicações das descobertas do telescópio de Galileu, nós não temos cinco séculos para analisar os resultados obtidos pelo LHC. Como um contemporâneo de Galileu poderia extrapolar de um telescópio a um iPhone? Tendo em vista o atual conhecimento humano e a mistura de muitos mundos revelados pelas muitas ferramentas e instrumentos construídos desde Galileu, o LHC trará surpresas?

É melhor que traga. Nessa era de orçamentos apertados, o LHC, uma contribuição mundial de milhares de cientistas, engenheiros, estudantes, custou 8 bilhões de dólares, incluindo significantes partes dos orçamentos das nações envolvidas no projeto. Para se tirar proveito do impacto que o LHC pode ter nas próximas décadas, é necessário analisar as questões fundamentais para as quais ele está destinado a responder. Somente se aventurando no labirinto da física de partículas nós podemos ter a noção de quão profundamente essa ferramenta analisará a natureza do mundo da Física.

Na atualidade, complexidade é a grande motivação dos físicos. Quanto maior o aprofundamento, mais complicado e incompreensível parece ser o mundo da física. Durante uma boa parte do século, físicos aspiraram uma teoria do universo que fosse simples e bela, no entanto somente descobriram uma proliferação de partículas e um montante de forças que pareciam não se encaixar de forma coerente. Em analogia seria como se tivéssemos um controle remoto para a televisão, outro para o DVD e ainda mais um para a chegada do DVR. O que se quer é um simples controle remoto universal – o que os físicos querem é uma teoria para tudo. Ninguém acredita que o LHC irá, em um passe de mágica, fornecer essa teoria, mas espera-se que ao menos seja de grande ajuda para alcançá-la.

O LHC nos trará simplicidade ao levar-nos de volta para o início, nos dará uma visão de como foi o universo no momento do seu nascimento. Isso é significante porque as coisas eram muito mais simples anteriormente. A única teoria viável (até então) é que o universo nasceu a 13.7 bilhões de anos em uma explosão cósmica – o big-bang- a qual criou o tempo e o espaço. No primeiro instante, tudo que vemos hoje – toda a matéria e energia que viesse a existir – foi comprimida num inimaginável pequeno volume. Nesse momento, dois domínios vastamente diferentes – o espaço interior da partícula física, como revelado pelas ferramentas microscópicas (basicamente aceleradores de partículas), e o espaço cósmico juntamente com a astrofísica, revelados por dados dos telescópios terrestres e satélites espaciais como o Hubble – foram exatamente o mesmo. Como o universo primitivo expandiu-se e começou a esfriar, formando galáxias, o campo do grande e do pequeno divergiu. As coisas começaram a ficar confusas.

Para descobrir que princípios regem o universo, é necessário voltar ao momento do big bang e fazer alguns experimentos. Infelizmente, isso é tão fácil quanto conseguir uma entrevista com Isaac Newton ou Alexandre, O Grande. O próximo passo é o LHC- que possibilitará a reprodução de algumas das condições dos primeiros momentos do universo. Não seriam todas as condições de uma vez, é claro, mas o suficiente para nos permitir começar a entender o processo pelo qual as primeiras partículas colidiram e aglutinaram para formar o núcleo e os átomos que compõem o nosso sol e os seus planetas. Os físicos teóricos analisam o resultado das colisões e tecem histórias de como o menor componente da matéria faz os mais exóticos objetos no céu – buracos negros, explosões estelares, pulasares e outros. Recriando as condições no universo momento depois do big bang, o LHC irá nos ajudar a forjar uma descrição coerente do universo.

Seria muito mais fácil explicar o atual estado da física se tivéssemos uma visão coerente, porém não temos. Ao contrário, é necessário falar sobre questões pelas quais o LHC foi construído para responder cada uma como parte de um grande quebra-cabeça. Enquanto as questões forem sendo respondidas, os contornos do quebra-cabeça começarão a tomar forma.

Por que há tantas partículas?

Até agora, colisores como o Fermilab’s Tevatron em Chicago ou Cern’s e+e, ambos muito menores que o LHC, deram evidências aos cientistas de que átomos não são as menores nem as mais fundamentais partículas do universo. Esse mérito vai agora para partículas menores, chamadas quarqs e léptons. (Acredita-se que toda a matéria é composta de seis tipos de quarkqs e seis tipos de léptons). E isso é só o começo – Há neutrinos e muons e Ws e Zs e assim por diante.

Por que tudo é tão complexo? O otimismo por parte dos físicos teóricos os leva a uma convicção de que por baixo dessa complexidade desencorajadora há uma bela simplicidade. A esperança dos teóricos é reforçada pelo papel que o conceito de simetria parece desempenhar quando teorias são examinadas matematicamente. Um caleidoscópio mostra figuras desconcertantemente complexas, mas que podem ser explicadas por uma única figura e um sistema de espelhos. O LHC, assim esperam os físicos, os auxiliará a ver a figura única que emerge da confusão de espelhos.

O que mantém a unidade do universo? A gravidade é a força que mantém meus pés no chão, mas é somente uma das quatro forças que existem no universo. Outra é o eletromagnetismo, familiar a qualquer estudante que já criou um imã por meio da ligação em uma pilha de duas pontas de um arame enrolado em um prego. O papel crucial do eletromagnetismo é manter os quarks e os léptons juntos a fim de criar átomos que formam moléculas. O trabalho do átomo é simplificado pela existência de outras duas forças, a “forte” e a “fraca”, as quais operam no domínio dos núcleos dos átomos. O que enlouquece os físicos é que essas quatro forças não se misturam. Somos capazes de criar teorias para a união de três forças (a “fraca”, a “forte” e a eletromagnética) que excluem a gravidade. Nós temos uma teoria da força eletromagnética que faz previsões de sucesso. Da mesma forma, temos a teoria da força fraca e uma satisfatória da forte. A necessidade gritante é a de uma teoria que unifique essas três forças, incluindo também a gravidade (isso seria a eterna busca – mas mal batizada – teoria do tudo). Embora a gravidade pareça óbvia para uma pessoa leiga, para os físicos teóricos ela é profundamente problemática; uma vez que as outras três forças – forte, fraca e eletromagnética – aparentemente tenham uma origem comum, a gravidade foge à regra.

Para entender porque a gravidade é um bicho-de-sete-cabeças, é necessário ir mais além neste labirinto. De acordo com a teoria quântica, a força entre dois objetos (seja atração ou repulsão) exige que haja a troca de uma partícula “carregadora de força”. Imagine dois patinadores de gelo com uma bola. Quando Joe arremessa a bola, recua de Moe. Quando Moe recebe a bola, recua de Joe. Isso funciona de um jeito similar á atração. Imagine nossos dois patinadores de gelo afastando-se um do outro, em direção à paredes separadas. Joe arremessa uma bola macia fortemente contra sua parede, fazendo quicar até a parede de Moe e depois às mãos desse. Perceba, agora eles estão se aproximando!

Essa bola- partícula carregadora de força- é chamada de Bóson e existe uma diferente para cada tipo de força. Os cientistas trabalhando com pequenos colisores revelaram a presença de bósons que carregam a força forte entre quarks, partículas eletricamente carregadas e a força fraca. Entretanto, a força que carrega a gravidade – uma partícula chamada de “graviton” – é completamente diferente. Aceleradores de partículas são inúteis aqui porque a força gravitacional é incrivelmente fraca. Faça esse teste: Derrube um clips. Ele cai, sendo atraído pelo planeta inteiro. Agora, segure o clips usando um imã que mantém sua lista de compras na geladeira. A atração da Terra inteira é nula em relação á pequena força do imã. Quando a força gravitacional é cuidadosamente testada em oposição à força elétrica, descobre-se que ela é mais fraca num fator de um seguido de 40 zeros.

O LHC tem potência suficiente para produzir a gravidade? Não. Para isto seria necessária uma colisão muito maior. Mesmo assim espera-se que o LHC possibilite um maior entendimento sobre a teoria gravitacional de Einstein. No entanto, isto terá de ser executado de forma indireta, muitos outros fenômenos terão de ser considerados para se chegar a conclusões sobre a gravidade.

O que é a Partícula de Deus?

Uma das funções do caleidoscópio cósmico seria observar as partículas bóson chamada Higgs. Lembrando, bóson é uma partícula associada a uma força. Os Higgs exercem influência sobre a massa de outras partículas, imagine-os como um campo de lama, quando você anda sobre ele, você se move mais lentamente, como se estivesse mais pesado. Por razões demasiadamente complexas para se aprofundar nesse artigo, os Higgs estão dentro do reino do LHC – é absolutamente possível que ocorra em breve sua descoberta. Assim, seria possível desvendar muitos mistérios, sendo essa a razão de muitas pessoas chamarem-na de partícula de Deus.

Pergunte a um físico a importância do LHC, a resposta será unânime: “Higgs”! Os Higgs estão em pauta há décadas alimentando a mente de muitos experimentalistas, assim como a de líderes norte americano, europeus e japoneses; sendo o principal motivo para a construção deste caríssimo acelerador de partículas.

Eis a razão: o Higgs pode ter sido a causa da complexidade do arranjo de nossas partículas e forças. Chame-o de campo de Higgs (pense em lama), e digamos que ele impregne todo o espaço. Sem um campo de Higgs, quakqs e léptons e todas as outras partículas teriam massa zero. As quatro forças se simplificariam em uma, o arranjo que quakqs e léptons se aglutinariam, e os físicos teóricos teriam que consultar os classificados de empregos. Com a figura do campo de Higgs , partículas passariam através da lama ; os elétrons adquirem um pouco de massa, os muons ficam mais pesados , o belo quark fica realmente pesado e os quarks superficiais ficariam obesos. Partículas chamadas Ws e Zs adquirem grandes massas, enquanto os fótons simplesmente ignoram o campo de Higgs. Mas agora as matemáticas ficaram complexas, as quatro forças re-emergem – e há muito emprego para os teóricos.

O Higgs é a chave para desvendar o sistema de espelhos do nosso exemplo do caleidoscópio. Higgs também solucionaria alguns defeitos da matemática. Grandes, mas improdutivas pesquisas foram feitas nos mais diversos aceleradores, mas espera-se que a evidência definitiva do fenômeno Higgs apareça nos estudos do LHC.

Como o acelerador ajudaria a solucionar esses mistérios?

O LHC foi construído para causar colisões entre partículas e, então, dar aos físicos um panorama dos vestígios resultantes. Partículas como nós conhecemos pela teoria quântica, estão associadas a campos de força, o que significa que se você encontrar uma partícula (como o bóson de Higgs) você terá encontrado também o campo de força associado (o campo de Higgs). Se o nível de energia do acelerador for suficientemente alto –e o do LHC é o mais alto já atingido – suas colisões produzirão mais partículas massivas, isso aumenta as chances de que, dos milhões de colisões produzidas a cada segundo, o LHC produza um bóson de Higgs. Isso será então captado pelos detectores ligados a poderosos computadores, e então aplausos estrondosos serão ouvidos na sala de controle. Se isso acontecer 10 ou 20 vezes, irá rapidamente levar a rede mundial a comemorar! Foi assim que todas as partículas que conhecemos – os quarks, leitos e bósons – foram descobertos e, aceleradores de partículas antigos. O que faz o LHC um grande negócio é que a energia que possui é suficientemente alta para produzir o bóson de Higgs.

A busca pela unificação, entretanto, não termina com o Higgs. Um dos indicadores de uma unificação da “teoria do tudo” seria algo chamado supersimetria. É uma teoria matemática que sugere que todas as partículas conhecidas – quarks e léptons – devem ter gêmeos. Nenhum desses gêmeos já foi descoberto (mas isso não nos impediu de dar a eles nomes poéticos: squarks, sleptons). O LHC, entretanto, poderia mudar isso.

Vamos voltar àquele ponto no tempo há 13.7 bilhões de anos atrás, quando todo o espaço e o que continha ocupava o volume quase zero. Desde então, o universo tem se expandido; todas as galáxias vêm se afastando uma das outras. Mas a gravidade é atrativa, aproximando as galáxias, o que deveria desacelerar a expansão. Em 1998, dois grupos de experimentadores tentaram medir a razão pela qual a expansão do universo estava diminuindo, mas a resposta que obtiveram veio como um choque: a expansão não estava diminuindo; estava acelerando! Algo, portanto, deve estar agindo misteriosamente para empurrar toda a matéria para fora. Chamamos isso de energia escura. A energia escura é provavelmente uma das mais desconcertantes, mas mais importantes descobertas sobre o nosso universo. Quando calculamos a quantidade de energia necessária para afastar todas as galáxias umas das outras a número é impressionante: Estima-se que fique em 75 por cento de toda a energia do universo.

Como o LHC pode ajudar a achar a energia escura?

A energia escura tem uma virtude maior do que meramente desconcertar astrofísicos teóricos. A energia escura soma-se ao total de energia do universo, o que compensa a curvatura causada pela matéria. (Einstein nos disse que a matéria faz o espaço se curvar, mas se a energia e a matéria estiverem balanceadas, não há curvatura – e o universo é plano.) Mas como alguns tipos de energia, a energia escura pode possivelmente ter uma partícula associada a ela – “uma partícula de energia escura”. Como o LHC foi concebido para procurar por partículas, ele poderia encontrar uma partícula de energia escura (se ela existir).

Há outro mistério não resolvido sobre o movimento das galáxias e das estrelas dentro das galáxias. Quando os astrônomos calcularam como as galáxias e estrelas deveriam se mover de acordo com as leis da gravidade, eles descobriram que as equações deram um resultado que eles julgaram errado.

Observações mostram que aquelas estrelas e galáxias comportam-se como se existisse muito mais matéria na galáxia do que pode ser deduzido ao contarem-se as estrelas (estimado ao se calcular a massa de cada estrela e somá-las todas). Para compreender a estabilidade das estrelas em uma galáxia, é necessário considerar dez vezes mais matéria do que é observado. O que poderia causar essa discrepância? A conclusão é que estas galáxias são rodeadas de nuvens de matéria que exercem forças gravitacionais, mas não brilham – então as chamamos de matéria escura.

Para onde foi toda a antimatéria?

Na década de 1930, os teóricos previram que toda a partícula carregada possui uma antimatéria gêmea – o elétron tem um pósiton; um próton tem um antipróton. Entretanto, em nossas galáxias, por mais distante que nossos maravilhosos instrumentos possam enxergar, tudo o que podemos ver é matéria. Sua ausência é atribuída a uma minúscula assimetria: quando o universo foi criado, sutilmente mais matéria foi criada que antimatéria. Quando ambas se colidem, elas aniquilam uma a outra, produzindo fótons – partículas de luz. Portanto, toda a antimatéria é “consumida” pela matéria e o restante é pura matéria e luz. A natureza da assimetria é superficialmente entendida, mas o LHC pode nos ajudar a entender isso.

Existem mais do que simplesmente quatro dimensões (três do espaço e uma do tempo)?

Uma das mais emocionantes perspectivas do uso do LHC é encontrar o que se chama de dimensões extra-espaciais, além das familiares, altura, profundidade e largura. Extra-dimensões são um elemento da teoria das cordas, uma das mais excitantes especulações da ciência, e uma das frentes para desvendar como unir a gravidade e as outras forças. Ela propõe que o mundo é constituído por pequenas vibrações de cordas. Tais vibrações são as partículas que temos discutido. (Se você não entender isso, não se preocupe: poucas pessoas conseguem assimilar a teoria das cordas). A existência de extra-dimensões é uma das previsões mais incríveis da teoria das cordas. A maior parte dessas dimensões está tão intensamente espiralada que elas são inobserváveis. Em algumas versões dessa teoria, a energia gravitacional vaza do tradicional sistema tridimensional para dentro dessas dimensões escondidas, formando um mecanismo que enfraquece a força da gravidade. Usando o LHC, nós podemos descobrir essas extra-dimensões escondidas estudando reações onde a energia parece desaparecer (a energia se movimenta ao longo de dimensões que não podemos enxergar). Tal descoberta iria certamente encorajar teóricos relacionados à teoria das cordas. (Bem, nem todas as descobertas são benéficas).

Este pequeno resumo não chega nem perto da listagem de todas as expectativas sobre o LHC em resolver o quebra-cabeça que é o universo. Embora o equipamento esteja somente começando seu trabalho, o ápice do LHC não será alcançado nos próximos anos, e sua mágica permanecerá oculta até 2020. Certamente nós teremos respostas para várias perguntas já existentes, e se tomarmos a história como base, teremos respostas para perguntas que nunca sonhamos em questionar. Assim como fizemos com o Telescópio de Galileu.

Lederman ganhou o Prêmio Nobel pelo seu trabalho com partículas físicas em 1988. Atualmente atua na Academia Illinois de Matemática e Ciência, um ensino médio para alunos superdotados.

Tradução: Grupo Advanced do 3º ano – Ensino Médio – Colégio Santa Maria

Supervisão: Professores Denise Selmo e Ednilson Oliveira

4 Respostas to “LHC (Large Hadron Collider, Grande Colisor de Hádrons)”

  1. Karinna Cerullo Says:

    Professor, adorei o seu blog e espero poder compartilha-lo com vc….

    Os seus textos são mto importantese interesantes.

    Ass: Karinna Cerullo 1º C ( colégio Pio XII)

  2. luana ramos spinelli Says:

    Esse blog È um maximo, nem sei oque dizer , eu tenho uma dÙvida bem pequena… a constelação grande ursa , qual È o desenho dela, por exemplo … a constelação do leão tem o desenho do leão , a constelaçãodo escorpião, tem o desenho do escorpião, mas e a grande ursa ??????????????????????????????????

    beijos

    Luana {COLèGIO SANTA MARIA 4 ANO E }

    • profednilson Says:

      A constelação da Ursa Maior tem o formato de um grande Urso, mas vc tem que imaginar bem, tem tambem a Constelação da Ursa Menor.

Deixe uma resposta

Preencha os seus dados abaixo ou clique em um ícone para log in:

Logotipo do WordPress.com

Você está comentando utilizando sua conta WordPress.com. Sair / Alterar )

Imagem do Twitter

Você está comentando utilizando sua conta Twitter. Sair / Alterar )

Foto do Facebook

Você está comentando utilizando sua conta Facebook. Sair / Alterar )

Foto do Google+

Você está comentando utilizando sua conta Google+. Sair / Alterar )

Conectando a %s

%d blogueiros gostam disto: