Grande Colisor de Hádrons: propósito, descobertas e mitos. O Grande Colisor de Hádrons. Para que serve? Por que o colisor foi criado?
A 100 metros de profundidade, na fronteira da França com a Suíça, existe um dispositivo que pode revelar os segredos do universo. Ou, segundo alguns, destruir toda a vida na Terra.
De qualquer forma, esta é a maior máquina do mundo e serve para estudar as menores partículas do Universo. Este é o Large Hadron Collider (LHC).
Pequena descrição
O LHC faz parte de um projeto liderado pela Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear (CERN). O colisor faz parte do complexo acelerador do CERN nos arredores de Genebra, na Suíça, e é usado para acelerar feixes de prótons e íons a velocidades que se aproximam da velocidade da luz, colidindo partículas umas com as outras e registrando os eventos resultantes. Os cientistas esperam que isso ajude a aprender mais sobre a origem do Universo e sua composição.
O que é um colisor (LHC)? É o acelerador de partículas mais ambicioso e poderoso construído até hoje. Milhares de cientistas de centenas de países colaboram e competem entre si em busca de novas descobertas. Para coletar dados experimentais, existem 6 seções localizadas ao longo da circunferência do colisor.
As descobertas feitas com ele podem ser úteis no futuro, mas não é essa a razão da sua construção. O objetivo do Grande Colisor de Hádrons é expandir nosso conhecimento do Universo. Dado que o LHC custa milhares de milhões de dólares e requer a cooperação de muitos países, a falta de aplicação prática pode ser surpreendente.
Para que serve o Colisor de Hádrons?
Na tentativa de compreender o nosso Universo, o seu funcionamento e estrutura real, os cientistas propuseram uma teoria chamada modelo padrão. Tenta identificar e explicar as partículas fundamentais que fazem do mundo o que ele é. O modelo combina elementos da teoria da relatividade de Einstein com a teoria quântica. Também leva em consideração 3 das 4 forças fundamentais do Universo: forças nucleares fortes e fracas e eletromagnetismo. A teoria não diz respeito à quarta força fundamental – a gravidade.
O Modelo Padrão fez várias previsões sobre o universo que são consistentes com vários experimentos. Mas há outros aspectos que exigem confirmação. Um deles é uma partícula teórica chamada bóson de Higgs.
Sua descoberta responde a perguntas sobre a massa. Por que a matéria tem isso? Os cientistas identificaram partículas que não têm massa, como os neutrinos. Por que algumas pessoas têm e outras não? Os físicos ofereceram muitas explicações.
O mais simples deles é o mecanismo de Higgs. Esta teoria afirma que existe uma partícula e uma força correspondente que explica a presença de massa. Nunca tinha sido observado antes, portanto os eventos criados pelo LHC provariam a existência do bóson de Higgs ou forneceriam novas informações.
Outra questão que os cientistas fazem está relacionada com a origem do Universo. Então matéria e energia eram uma só. Após a separação, as partículas de matéria e antimatéria destruíram-se mutuamente. Se o número deles fosse igual, não sobraria nada.
Mas, felizmente para nós, havia mais matéria no Universo. Os cientistas esperam observar antimatéria durante a operação do LHC. Isto poderia ajudar a compreender a razão da diferença na quantidade de matéria e antimatéria quando o universo começou.
Matéria escura
Nossa compreensão atual do universo sugere que apenas cerca de 4% da matéria que deveria existir é atualmente observável. O movimento das galáxias e de outros corpos celestes sugere que há muito mais matéria visível.
Os cientistas chamaram essa matéria indefinida de matéria escura. A matéria observável e escura representa cerca de 25%. Os outros 3/4 vêm da hipotética energia escura, que contribui para a expansão do Universo.
Os cientistas esperam que as suas experiências forneçam mais provas da existência de matéria escura e energia escura, ou confirmem uma teoria alternativa.
Mas esta é apenas a ponta do iceberg da física de partículas. Há coisas ainda mais exóticas e controversas que precisam ser reveladas, e é para isso que serve o colisor.
Big Bang em microescala
Ao colidir prótons em velocidades suficientemente altas, o LHC os divide em subpartículas atômicas menores. Eles são muito instáveis e duram apenas uma fração de segundo antes de se decomporem ou se recombinarem.
De acordo com a teoria do Big Bang, toda a matéria consistia originalmente neles. À medida que o Universo se expandia e arrefecia, eles combinavam-se em partículas maiores, como protões e neutrões.
Teorias incomuns
Se as partículas teóricas, antimatéria e energia escura, não forem suficientemente exóticas, alguns cientistas acreditam que o LHC poderá fornecer provas da existência de outras dimensões. É geralmente aceito que o mundo é quadridimensional (espaço e tempo tridimensionais). Mas os físicos sugerem que pode haver outras dimensões que os humanos não conseguem perceber. Por exemplo, uma versão da teoria das cordas requer pelo menos 11 dimensões.
Os adeptos desta teoria esperam que o LHC forneça evidências do modelo proposto para o Universo. Na sua opinião, os blocos de construção fundamentais não são partículas, mas cordas. Eles podem ser abertos ou fechados e vibram como guitarras. A diferença na vibração torna as cordas diferentes. Alguns se manifestam na forma de elétrons, enquanto outros são percebidos como neutrinos.
O que é um colisor em números?
O LHC é uma estrutura enorme e poderosa. É composto por 8 setores, cada um dos quais é um arco, delimitado em cada extremidade por uma seção denominada “inserção”. A circunferência do colisor é de 27 km.
Os tubos aceleradores e as câmaras de colisão estão localizados a 100 metros abaixo do solo. O acesso a eles é feito por um túnel de serviço com elevadores e escadas localizados em diversos pontos da circunferência do LHC. O CERN também construiu edifícios acima do solo onde os investigadores podem recolher e analisar dados gerados pelos detectores do colisor.
Os ímãs são usados para controlar feixes de prótons que se movem a 99,99% da velocidade da luz. São enormes, pesando várias toneladas. O LHC possui cerca de 9.600 ímãs. Eles esfriam até 1,9K (-271,25 °C). Isso está abaixo da temperatura do espaço sideral.
Os prótons dentro do colisor passam por tubos de ultra-alto vácuo. Isso é necessário para que não haja partículas com as quais eles possam colidir antes de atingirem seu objetivo. Uma única molécula de gás pode causar o fracasso de um experimento.
Existem 6 áreas ao redor da circunferência do grande colisor onde os engenheiros podem conduzir seus experimentos. Eles podem ser comparados a microscópios com câmera digital. Alguns desses detectores são enormes - o ATLAS é um aparelho com 45 m de comprimento, 25 m de altura e pesa 7 toneladas.
O LHC emprega cerca de 150 milhões de sensores que coletam dados e os enviam para a rede de computadores. Segundo o CERN, a quantidade de informação obtida durante os experimentos é de cerca de 700 MB/s.
Obviamente, tal colisor requer muita energia. Seu consumo anual de energia é de cerca de 800 GWh. Poderia ser muito maior, mas a instalação não funciona durante os meses de inverno. Segundo o CERN, o custo da energia ronda os 19 milhões de euros.
Colisão de prótons
O princípio por trás da física do colisor é bastante simples. Primeiro, dois feixes são lançados: um no sentido horário e o segundo no sentido anti-horário. Ambos os fluxos aceleram à velocidade da luz. Então eles são direcionados um para o outro e o resultado é observado.
O equipamento necessário para atingir este objetivo é muito mais complexo. O LHC faz parte do complexo CERN. Antes de qualquer partícula entrar no LHC, ela já passa por uma série de etapas.
Primeiro, para produzir prótons, os cientistas devem retirar os elétrons dos átomos de hidrogênio. As partículas são então enviadas para o LINAC 2, que as lança no acelerador PS Booster. Essas máquinas usam um campo elétrico alternado para acelerar as partículas. Os campos criados por ímãs gigantes ajudam a segurar os feixes.
Quando o feixe atinge o nível de energia desejado, o PS Booster o direciona para o supersíncrotron SPS. O fluxo é ainda mais acelerado e é dividido em 2.808 feixes de 1,1 x 1.011 prótons. O SPS injeta feixes no LHC no sentido horário e anti-horário.
Dentro do Grande Colisor de Hádrons, os prótons continuam a acelerar por 20 minutos. Na velocidade máxima, eles giram 11.245 vezes em torno do LHC a cada segundo. Os feixes convergem para um dos 6 detectores. Neste caso, ocorrem 600 milhões de colisões por segundo.
Quando dois prótons colidem, eles são divididos em partículas menores, incluindo quarks e glúons. Quarks são muito instáveis e decaem em uma fração de segundo. Os detectores coletam informações rastreando o caminho das partículas subatômicas e as enviam para uma rede de computadores.
Nem todos os prótons colidem. O restante segue para a seção de ejeção do feixe, onde é absorvido pelo grafite.
Detectores
Ao longo da circunferência do colisor existem 6 seções nas quais os dados são coletados e os experimentos são conduzidos. Destes, 4 são detectores principais e 2 são menores.
O maior é o ATLAS. Suas dimensões são 46 x 25 x 25 m. O rastreador detecta e analisa o momento das partículas que passam pelo ATLAS. Ao seu redor está um calorímetro que mede a energia das partículas absorvendo-as. Os cientistas podem observar sua trajetória e extrapolar informações sobre eles.
O detector ATLAS também possui um espectrômetro de múons. Os múons são partículas com carga negativa 200 vezes mais pesadas que os elétrons. São os únicos capazes de passar pelo calorímetro sem parar. O espectrômetro mede o momento de cada múon usando sensores de partículas carregadas. Esses sensores podem detectar flutuações no campo magnético do ATLAS.
O Compact Muon Solenoid (CMS) é um detector de uso geral que detecta e mede subpartículas liberadas durante colisões. O dispositivo está localizado dentro de um solenóide gigante que pode criar um campo magnético quase 100 mil vezes maior que o campo magnético da Terra.
O detector ALICE foi projetado para estudar colisões de íons de ferro. Desta forma, os investigadores esperam recriar condições semelhantes às que ocorreram imediatamente após o Big Bang. Eles esperam ver os íons se transformarem em uma mistura de quarks e glúons. O principal componente do ALICE é a câmera TPC, que é usada para estudar e reconstruir trajetórias de partículas.
O LHC é usado para procurar evidências da existência de antimatéria. Ele faz isso procurando por uma partícula chamada beauty quark. A fileira de subdetectores ao redor do ponto de impacto tem 20 metros de comprimento. Eles podem capturar partículas de quarks bonitos muito instáveis e de decomposição rápida.
O experimento TOTEM é realizado em uma área com um dos pequenos detectores. Ele mede o tamanho dos prótons e o brilho do LHC, indicando a precisão da criação de colisões.
O experimento LHC simula raios cósmicos em um ambiente controlado. Seu objetivo é ajudar a desenvolver estudos em larga escala de raios cósmicos reais.
Em cada local de detecção há uma equipe de pesquisadores, que varia de várias dezenas a mais de mil cientistas.
Processamento de dados
Não é surpreendente que tal colisor gere um enorme fluxo de dados. Os 15 milhões de GB produzidos anualmente pelos detectores do LHC representam um enorme desafio para os pesquisadores. Sua solução é uma rede de computadores composta por computadores, cada um deles capaz de analisar de forma independente um dado. Assim que o computador conclui a análise, ele envia os resultados ao computador central e recebe uma nova parcela.
Os cientistas do CERN decidiram concentrar-se na utilização de equipamentos relativamente baratos para realizar os seus cálculos. Em vez de adquirir servidores e processadores avançados, é usado hardware existente que pode funcionar bem na rede. Usando um software especial, uma rede de computadores será capaz de armazenar e analisar os dados de cada experimento.
Perigo para o planeta?
Alguns temem que um colisor tão poderoso possa representar uma ameaça à vida na Terra, incluindo a participação na formação de buracos negros, “matéria estranha”, monopólios magnéticos, radiação, etc.
Os cientistas refutam consistentemente tais afirmações. A formação de um buraco negro é impossível porque existe uma grande diferença entre prótons e estrelas. A “matéria estranha” poderia ter sido formada há muito tempo sob a influência dos raios cósmicos, e o perigo dessas formações hipotéticas é muito exagerado.
O colisor é extremamente seguro: é separado da superfície por uma camada de solo de 100 metros e o pessoal está proibido de permanecer no subsolo durante os experimentos.
A história da criação do acelerador, que hoje conhecemos como Grande Colisor de Hádrons, remonta a 2007. Inicialmente, a cronologia dos aceleradores começou com o ciclotron. O dispositivo era um dispositivo pequeno que cabia facilmente na mesa. Então a história dos aceleradores começou a se desenvolver rapidamente. O sincrofasotron e o síncrotron apareceram.
Na história, talvez o período mais interessante tenha sido o período de 1956 a 1957. Naquela época, a ciência soviética, em particular a física, não ficava atrás de seus irmãos estrangeiros. Usando anos de experiência, um físico soviético chamado Vladimir Veksler fez um avanço na ciência. Ele criou o sincrofasotron mais poderoso da época. Sua potência operacional era de 10 gigaelétron-volts (10 bilhões de elétron-volts). Após esta descoberta, foram criadas amostras sérias de aceleradores: o grande colisor elétron-pósitron, o acelerador suíço, na Alemanha, nos EUA. Todos eles tinham um objetivo comum - o estudo das partículas fundamentais dos quarks.
O Grande Colisor de Hádrons foi criado principalmente graças aos esforços de um físico italiano. Seu nome é Carlo Rubbia, ganhador do Prêmio Nobel. Durante sua carreira, Rubbia trabalhou como diretor da Organização Europeia para Pesquisa Nuclear. Decidiu-se construir e lançar um colisor de hádrons no local do centro de pesquisa.
Onde está o colisor de hádrons?
O colisor está localizado na fronteira entre a Suíça e a França. Sua circunferência é de 27 quilômetros, por isso é chamada de grande. O anel do acelerador vai de 50 a 175 metros de profundidade. O colisor possui 1232 ímãs. São supercondutores, o que significa que a partir deles pode ser gerado o campo máximo de aceleração, já que praticamente não há consumo de energia nesses ímãs. O peso total de cada ímã é de 3,5 toneladas e comprimento de 14,3 metros.
Como qualquer objeto físico, o Grande Colisor de Hádrons gera calor. Portanto, deve ser resfriado constantemente. Para conseguir isso, a temperatura é mantida em 1,7 K utilizando 12 milhões de litros de nitrogênio líquido. Além disso, são utilizados 700 mil litros para resfriamento e, o mais importante, é utilizada uma pressão dez vezes menor que a pressão atmosférica normal.
Uma temperatura de 1,7 K na escala Celsius é de -271 graus. Essa temperatura está quase próxima do chamado limite mínimo possível que um corpo físico pode ter.
O interior do túnel não é menos interessante. Existem cabos de nióbio-titânio com capacidades supercondutoras. Seu comprimento é de 7.600 quilômetros. O peso total dos cabos é de 1.200 toneladas. O interior do cabo é uma trama de 6.300 fios com uma distância total de 1,5 bilhão de quilômetros. Este comprimento é igual a 10 unidades astronômicas. Por exemplo, é igual a 10 dessas unidades.
Se falarmos da sua localização geográfica, podemos dizer que os anéis do colisor situam-se entre as cidades de Saint-Genis e Forney-Voltaire, localizadas no lado francês, bem como Meyrin e Vessourat - no lado suíço. Um pequeno anel chamado PS corre ao longo do diâmetro da borda.
O significado da existência
Para responder à pergunta “para que serve um colisor de hádrons”, você precisa recorrer aos cientistas. Muitos cientistas dizem que esta é a maior invenção de toda a história da ciência e que, sem ela, a ciência como a conhecemos hoje simplesmente não tem sentido. A existência e o lançamento do Grande Colisor de Hádrons são interessantes porque quando as partículas colidem no colisor de hádrons, ocorre uma explosão. Todas as menores partículas se espalham em direções diferentes. Formam-se novas partículas que podem explicar a existência e o significado de muitas coisas.
A primeira coisa que os cientistas tentaram encontrar nessas partículas quebradas foi uma partícula elementar teoricamente prevista pelo físico Peter Higgs, chamada Esta incrível partícula é portadora de informação, acredita-se. Também é comumente chamada de “partícula de Deus”. Sua descoberta aproximaria os cientistas da compreensão do universo. Deve-se notar que em 2012, em 4 de julho, o colisor de hádrons (seu lançamento foi parcialmente bem-sucedido) ajudou a descobrir uma partícula semelhante. Hoje, os cientistas estão tentando estudá-lo com mais detalhes.
Quanto tempo...
É claro que surge imediatamente a questão: por que os cientistas estudam essas partículas há tanto tempo? Se você tiver um dispositivo, poderá executá-lo e obter cada vez mais dados. O fato é que operar um colisor de hádrons é uma proposta cara. Um lançamento custa muito dinheiro. Por exemplo, o consumo anual de energia é de 800 milhões de kWh. Essa quantidade de energia é consumida por uma cidade com população de cerca de 100 mil habitantes, para padrões médios. E isso não inclui custos de manutenção. Outra razão é que no colisor de hádrons, a explosão que ocorre quando os prótons colidem está associada ao recebimento de uma grande quantidade de dados: os computadores leem tanta informação que leva muito tempo para processá-la. Mesmo que o poder dos computadores que recebem informações seja grande mesmo para os padrões atuais.
A próxima razão não é menos conhecida. Os cientistas que trabalham com o colisor nesta direção estão confiantes de que o espectro visível de todo o universo é de apenas 4%. Supõe-se que os restantes sejam matéria escura e energia escura. Eles estão tentando provar experimentalmente que esta teoria está correta.
Colisor de Hádrons: a favor ou contra
A teoria apresentada da matéria escura lançou dúvidas sobre a segurança do colisor de hádrons. Surgiu a questão: “Colisor de Hádrons: a favor ou contra?” Ele preocupou muitos cientistas. Todas as grandes mentes do mundo estão divididas em duas categorias. Os “oponentes” apresentaram uma teoria interessante de que, se tal matéria existe, então deve haver uma partícula oposta a ela. E quando as partículas colidem no acelerador, aparece uma parte escura. Havia o risco de a parte escura e a parte que vemos colidirem. Então isso poderia levar à morte de todo o universo. No entanto, após o primeiro lançamento do colisor de hádrons, esta teoria foi parcialmente quebrada.
A seguir em importância vem a explosão do universo, ou melhor, o nascimento. Acredita-se que durante uma colisão seja possível observar como o universo se comportou nos primeiros segundos de sua existência. A forma como ficou após a origem do Big Bang. Acredita-se que o processo de colisão de partículas seja muito semelhante ao que ocorreu no início do universo.
Outra ideia igualmente fantástica que os cientistas estão testando são os modelos exóticos. Parece incrível, mas existe uma teoria que sugere que existem outras dimensões e universos com pessoas semelhantes a nós. E por incrível que pareça, o acelerador também pode ajudar aqui.
Simplificando, o objetivo do acelerador é compreender o que é o universo, como foi criado e provar ou refutar todas as teorias existentes sobre partículas e fenômenos relacionados. É claro que isso levará anos, mas a cada lançamento surgem novas descobertas que revolucionam o mundo da ciência.
Fatos sobre o acelerador
Todo mundo sabe que um acelerador acelera partículas a 99% da velocidade da luz, mas poucas pessoas sabem que a porcentagem é 99,9999991% da velocidade da luz. Esta figura incrível faz sentido graças ao design perfeito e aos poderosos ímãs de aceleração. Existem também alguns fatos menos conhecidos a serem observados.
Os aproximadamente 100 milhões de fluxos de dados provenientes de cada um dos dois detectores principais poderiam preencher mais de 100.000 CD-ROMs em questão de segundos. Em apenas um mês, o número de discos atingiria uma altura tal que, se fossem empilhados, seriam suficientes para chegar à Lua. Portanto, optou-se por coletar não todos os dados provenientes dos detectores, mas apenas aqueles que poderão ser utilizados pelo sistema de coleta de dados, que na verdade funciona como um filtro dos dados recebidos. Decidiu-se registrar apenas 100 eventos ocorridos no momento da explosão. Estes eventos serão registados no arquivo do centro informático do Large Hadron Collider, que se encontra no Laboratório Europeu de Física de Partículas, onde também se encontra o acelerador. O que será registrado não serão os eventos que foram registrados, mas sim aqueles que são de maior interesse para a comunidade científica.
Pós-processamento
Uma vez gravados, centenas de kilobytes de dados serão processados. Para tanto, são utilizados mais de dois mil computadores localizados no CERN. A tarefa desses computadores é processar dados primários e formar um banco de dados a partir deles que será conveniente para análises posteriores. A seguir, o fluxo de dados gerado será enviado para a rede de computadores GRID. Essa rede de Internet une milhares de computadores localizados em diversos institutos ao redor do mundo e conecta mais de uma centena de grandes centros localizados em três continentes. Todos esses centros estão conectados ao CERN usando fibra óptica para velocidades máximas de transferência de dados.
Falando em fatos, devemos citar também os indicadores físicos da estrutura. O túnel do acelerador está desviado em 1,4% do plano horizontal. Isto foi feito principalmente para colocar a maior parte do túnel do acelerador em uma rocha monolítica. Assim, a profundidade de colocação em lados opostos é diferente. Se contarmos a partir do lado do lago, que fica perto de Genebra, a profundidade será de 50 metros. A parte oposta tem 175 metros de profundidade.
O interessante é que as fases lunares afetam o acelerador. Parece que um objeto tão distante pode influenciar a tal distância. No entanto, foi observado que durante a lua cheia, quando ocorre a maré, o terreno na região de Genebra sobe até 25 centímetros. Isso afeta o comprimento do colisor. O comprimento aumenta assim em 1 milímetro e a energia do feixe também muda em 0,02%. Como a energia do feixe deve ser controlada até 0,002%, os investigadores devem levar este fenómeno em consideração.
Também é interessante que o túnel do colisor tenha o formato de um octógono, e não de um círculo, como muitos imaginam. Os cantos são criados por seções curtas. Eles contêm detectores instalados, bem como um sistema que controla o feixe de partículas em aceleração.
Estrutura
O Colisor de Hádrons, cujo lançamento envolve muitas peças e muita empolgação entre os cientistas, é um aparelho incrível. Todo o acelerador consiste em dois anéis. O pequeno anel é chamado de Síncrotron de Prótons ou, para usar suas abreviaturas, PS. O Grande Anel é o Super Proton Synchrotron, ou SPS. Juntos, os dois anéis permitem que as peças acelerem a 99,9% da velocidade da luz. Ao mesmo tempo, o colisor também aumenta a energia dos prótons, aumentando sua energia total em 16 vezes. Também permite que as partículas colidam umas com as outras aproximadamente 30 milhões de vezes/s. dentro de 10 horas. Dos 4 detectores principais, são obtidos pelo menos 100 terabytes de dados digitais por segundo. A obtenção de dados é determinada por fatores individuais. Por exemplo, eles podem detectar partículas elementares que possuem carga elétrica negativa e também meio spin. Como essas partículas são instáveis, sua detecção direta é impossível, só é possível detectar sua energia, que será emitida em um determinado ângulo em relação ao eixo do feixe. Este estágio é chamado de primeiro nível de lançamento. Esta etapa é monitorada por mais de 100 placas especiais de processamento de dados, que possuem lógica de implementação integrada. Esta parte do trabalho caracteriza-se pelo fato de que durante o período de aquisição de dados são selecionados mais de 100 mil blocos de dados por segundo. Esses dados serão então utilizados para análise, o que ocorre por meio de um mecanismo de nível superior.
Os sistemas no nível seguinte, pelo contrário, recebem informações de todos os threads do detector. O software detector é executado em rede. Lá ele usará um grande número de computadores para processar blocos de dados subsequentes, o tempo médio entre os blocos é de 10 microssegundos. Os programas terão que criar marcas de partículas correspondentes aos pontos originais. O resultado será um conjunto gerado de dados composto por impulso, energia, trajetória e outros que surgiram durante um evento.
Peças do acelerador
Todo o acelerador pode ser dividido em 5 partes principais:
1) Acelerador de colisor elétron-pósitron. A peça é composta por cerca de 7 mil ímãs com propriedades supercondutoras. Com a ajuda deles, o feixe é direcionado através de um túnel circular. Eles também concentram o feixe em um fluxo, cuja largura é reduzida à largura de um fio de cabelo.
2) Solenóide de múon compacto. Este é um detector de uso geral. Tal detector é usado para procurar novos fenômenos e, por exemplo, para procurar partículas de Higgs.
3) Detector LHCb. O significado deste dispositivo é procurar quarks e suas partículas opostas - antiquarks.
4) Instalação toroidal ATLAS. Este detector foi projetado para detectar múons.
5) Alice. Este detector captura colisões de íons de chumbo e colisões próton-próton.
Problemas ao lançar o Colisor de Hádrons
Apesar de a presença de alta tecnologia eliminar a possibilidade de erros, na prática tudo é diferente. Durante a montagem do acelerador ocorreram atrasos e falhas. É preciso dizer que esta situação não foi inesperada. O dispositivo contém tantas nuances e exige tanta precisão que os cientistas esperavam resultados semelhantes. Por exemplo, um dos problemas que os cientistas enfrentaram durante o lançamento foi a falha do ímã que focalizava os feixes de prótons imediatamente antes de sua colisão. Este grave acidente foi provocado pela destruição de parte da fixação devido à perda de supercondutividade do íman.
Esse problema ocorreu em 2007. Por conta disso, o lançamento do colisor foi adiado diversas vezes, e somente em junho o lançamento ocorreu, quase um ano depois, o colisor foi lançado;
O último lançamento do colisor foi bem-sucedido, coletando muitos terabytes de dados.
O Colisor de Hádrons, lançado em 5 de abril de 2015, está operando com sucesso. Ao longo de um mês, os feixes serão conduzidos ao redor do anel, aumentando gradativamente sua potência. Não há propósito para o estudo como tal. A energia de colisão do feixe será aumentada. O valor será elevado de 7 TeV para 13 TeV. Tal aumento nos permitirá ver novas possibilidades nas colisões de partículas.
Em 2013 e 2014 foram realizadas inspeções técnicas sérias de túneis, aceleradores, detectores e outros equipamentos. O resultado foram 18 ímãs bipolares com função supercondutora. Deve-se notar que seu número total é de 1.232 peças. No entanto, os restantes ímanes não passaram despercebidos. No restante, os sistemas de proteção de refrigeração foram substituídos e instalados outros melhorados. O sistema de resfriamento magnético também foi melhorado. Isso permite que permaneçam em baixas temperaturas com potência máxima.
Se tudo correr bem, o próximo lançamento do acelerador ocorrerá apenas daqui a três anos. Após esse período, estão previstas obras planejadas para melhoria e inspeção técnica do colisor.
Deve-se notar que os reparos custam um bom dinheiro, sem levar em conta o custo. O Colisor de Hádrons, em 2010, tinha um preço de 7,5 mil milhões de euros. Esse número coloca todo o projeto em primeiro lugar na lista dos projetos mais caros da história da ciência.
Muitos habitantes comuns do planeta se perguntam por que o Grande Colisor de Hádrons é necessário. A investigação científica, incompreensível para a maioria, na qual foram gastos muitos milhares de milhões de euros, causa cautela e preocupação.
Talvez não se trate de uma pesquisa, mas de um protótipo de máquina do tempo ou de um portal para o teletransporte de criaturas alienígenas que podem mudar o destino da humanidade? Os rumores mais fantásticos e terríveis estão circulando. Neste artigo tentaremos entender o que é um colisor de hádrons e por que ele foi criado.
Um projeto ambicioso para a humanidade
O Large Hadron Collider é atualmente o acelerador de partículas mais poderoso do planeta. Ele está localizado na fronteira da Suíça e da França. Mais precisamente, abaixo dele: a uma profundidade de 100 metros encontra-se um túnel circular do acelerador com quase 27 quilômetros de extensão. O proprietário do local experimental, avaliado em mais de 10 mil milhões de dólares, é o Centro Europeu de Investigação Nuclear.
Enormes quantidades de recursos e milhares de físicos nucleares estão ocupados acelerando prótons e íons pesados de chumbo a velocidades próximas à da luz em diferentes direções e depois colidindo-os uns contra os outros. Os resultados das interações diretas são cuidadosamente estudados.
A proposta de criar um novo acelerador de partículas surgiu em 1984. Durante dez anos, houve várias discussões sobre como será o colisor de hádrons e por que um projeto de pesquisa em tão grande escala é necessário. Somente após discussão das especificidades da solução técnica e dos parâmetros de instalação exigidos o projeto foi aprovado. A construção começou apenas em 2001, utilizando o antigo acelerador de partículas – o Grande Colisor de Elétrons-Positrons – para abrigá-lo.
Por que precisamos de um Grande Colisor de Hádrons?
A interação das partículas elementares é descrita de diferentes maneiras. A teoria da relatividade entra em conflito com a teoria quântica de campos. O elo que faltava para alcançar uma abordagem unificada da estrutura das partículas elementares é a impossibilidade de criar uma teoria da gravidade quântica. É por isso que é necessário um colisor de hádrons de alta potência.
A energia total das colisões de partículas é de 14 teraelétron-volts, tornando o dispositivo um acelerador significativamente mais poderoso do que qualquer outro existente no mundo hoje. Ao realizar experiências que antes eram impossíveis por razões técnicas, os cientistas provavelmente serão capazes de documentar ou refutar as teorias existentes do micromundo.
O estudo do plasma quark-glúon formado durante a colisão de núcleos de chumbo permitirá construir uma teoria mais avançada de interações fortes, que pode mudar radicalmente a física nuclear e o espaço estelar.
Bóson de Higgs
Em 1960, o físico escocês Peter Higgs desenvolveu a teoria do campo de Higgs, segundo a qual as partículas que entram neste campo estão sujeitas a efeitos quânticos, que no mundo físico podem ser observados como a massa de um objeto.
Se durante os experimentos for possível confirmar a teoria do físico nuclear escocês e encontrar o bóson de Higgs (quântico), então este evento poderá se tornar um novo ponto de partida para o desenvolvimento dos habitantes da Terra.
E os controles da gravidade descobertos excederão muitas vezes todas as perspectivas visíveis para o desenvolvimento do progresso tecnológico. Além disso, os cientistas avançados estão mais interessados não na presença do bóson de Higgs em si, mas no processo de quebra da simetria eletrofraca.
Como ele funciona
Para que as partículas experimentais atinjam uma velocidade impensável para a superfície, quase igual no vácuo, elas são aceleradas gradativamente, aumentando cada vez a energia.
Os aceleradores lineares primeiro injetam íons de chumbo e prótons, que são então submetidos a uma aceleração gradual. As partículas entram no síncrotron de prótons através do booster, onde recebem uma carga de 28 GeV.
Na próxima etapa, as partículas entram no supersíncrotron, onde sua energia de carga aumenta para 450 GeV. Ao atingir esses indicadores, as partículas caem no anel principal de vários quilômetros, onde, em locais de colisão especialmente localizados, os detectores registram detalhadamente o momento do impacto.
Além de detectores capazes de registrar todos os processos durante uma colisão, 1.625 ímãs supercondutores são usados para reter grupos de prótons no acelerador. Seu comprimento total ultrapassa 22 quilômetros. Especialmente concebido para atingir uma temperatura de -271 °C. O custo de cada um desses ímanes é estimado em um milhão de euros.
O fim justifica os meios
Para realizar experimentos tão ambiciosos, foi construído o mais poderoso colisor de hádrons. Muitos cientistas contam à humanidade, com indisfarçável deleite, por que é necessário um projeto científico multibilionário. É verdade que, no caso de novas descobertas científicas, muito provavelmente elas serão classificadas de forma confiável.
Você pode até dizer com certeza. Isto é confirmado por toda a história da civilização. Quando a roda foi inventada, a humanidade dominou a metalurgia - olá, armas e rifles!
Todos os desenvolvimentos mais modernos hoje tornam-se propriedade dos complexos industriais militares dos países desenvolvidos, mas não de toda a humanidade. Quando os cientistas aprenderam a dividir o átomo, o que veio primeiro? Reatores nucleares fornecem eletricidade, porém, após centenas de milhares de mortes no Japão. Os residentes de Hiroshima eram claramente contra o progresso científico, que tirava o amanhã deles e dos seus filhos.
O desenvolvimento técnico parece uma zombaria das pessoas, porque as pessoas nele logo se transformarão no elo mais fraco. Segundo a teoria da evolução, o sistema se desenvolve e se fortalece, livrando-se de seus pontos fracos. Pode acontecer em breve que não teremos mais lugar no mundo para melhorar a tecnologia. Portanto, a questão “por que é que o Grande Colisor de Hádrons é necessário neste momento” não é, na verdade, uma curiosidade vã, porque é causada pelo medo pelo destino de toda a humanidade.
Perguntas que não são respondidas
Por que precisamos de um grande colisor de hádrons se milhões de pessoas no planeta estão morrendo de fome e de doenças incuráveis e, às vezes, tratáveis? Ele ajudará a superar esse mal? Por que a humanidade precisa de um colisor de hádrons, que, apesar de todo o desenvolvimento da tecnologia, há cem anos não consegue aprender como combater o câncer com sucesso? Ou talvez seja simplesmente mais lucrativo fornecer serviços médicos caros do que encontrar uma maneira de curar? Dada a atual ordem mundial e o desenvolvimento ético, apenas um punhado de representantes da raça humana realmente precisa de um grande colisor de hádrons. Por que toda a população do planeta precisa disso, travando uma batalha incessante pelo direito de viver num mundo livre de ataques à vida e à saúde de qualquer pessoa? A história silencia sobre isso...
Preocupações de colegas científicos
Existem outros representantes da comunidade científica que manifestaram sérias preocupações sobre a segurança do projecto. Há uma grande probabilidade de que o mundo científico, em seus experimentos, devido ao seu conhecimento limitado, perca o controle sobre processos que nem sequer são devidamente estudados.
Essa abordagem lembra experimentos de laboratório de jovens químicos - misture tudo e veja o que acontece. O último exemplo poderia terminar numa explosão de laboratório. E se tal “sucesso” acontecer com o colisor de hádrons?
Por que os terráqueos precisam de um risco injustificado, especialmente porque os experimentadores não podem dizer com total confiança que os processos de colisões de partículas, que levam à formação de temperaturas 100 mil vezes superiores à temperatura da nossa estrela, não causarão uma reação em cadeia de toda a substância do planeta?! Ou simplesmente chamarão algo capaz de arruinar fatalmente umas férias nas montanhas da Suíça ou na Riviera Francesa...
Ditadura da informação
Por que o Grande Colisor de Hádrons é necessário quando a humanidade não consegue resolver problemas menos complexos? Uma tentativa de suprimir uma opinião alternativa apenas confirma a possibilidade da imprevisibilidade do curso dos acontecimentos.
Provavelmente, onde o homem apareceu pela primeira vez, essa dupla característica era inerente a ele - fazer o bem e prejudicar a si mesmo ao mesmo tempo. Talvez as descobertas que o colisor de hádrons nos dará nos darão a resposta? A razão pela qual esta experiência arriscada foi necessária será decidida pelos nossos descendentes.
Certamente quase todas as pessoas na Terra já ouviram falar do Grande Colisor de Hádrons pelo menos uma vez. Mas, apesar de muitos já terem ouvido falar dele, poucas pessoas entendem o que é um colisor de hádrons, qual é sua finalidade, qual é a essência de um colisor de hádrons. Em nosso artigo de hoje responderemos a essas perguntas.
O que é um colisor de hádrons
Essencialmente, um colisor de hádrons é um acelerador de partículas complexo. Com sua ajuda, os físicos conseguem acelerar prótons e íons pesados. Inicialmente, o colisor de hádrons foi criado para confirmar a existência da esquiva partícula elementar, que os físicos às vezes chamam, brincando, de “partícula de Deus”. E sim, a existência desta partícula foi confirmada experimentalmente por meio de um colisor, e seu próprio descobridor, Peter Higgs, recebeu o Prêmio Nobel de Física por isso em 2013.
É claro que o assunto não se limitou apenas ao bóson de Higgs; além dele, os físicos também encontraram algumas outras partículas elementares. Agora você sabe a resposta para a pergunta de por que um colisor de hádrons é necessário.
O que é o Grande Colisor de Hádrons?
Em primeiro lugar, deve-se notar que o Grande Colisor de Hádrons não surgiu do nada, mas apareceu como uma evolução de seu antecessor - o Grande Colisor de Elétrons-Positrons, que é um túnel subterrâneo de 27 quilômetros, cuja construção começou em 1983. Em 1988, o túnel circular foi fechado, e o interessante é que os construtores abordaram o assunto com muito cuidado, tanto que a discrepância entre as duas extremidades do túnel é de apenas 1 centímetro.
Esta é a aparência do circuito do colisor de hádrons.
O colisor elétron-pósitron funcionou até 2000 e durante sua operação na física várias descobertas foram feitas com sua ajuda, incluindo a descoberta dos bósons W e Z e suas pesquisas adicionais.
Desde 2001, a construção de um colisor de hádrons começou no local do colisor elétron-pósitron, que foi concluído em 2007.
Onde está localizado o Colisor de Hádrons?
O Grande Colisor de Hádrons está localizado na fronteira entre a Suíça e a França, no vale do Lago Genebra, a apenas 15 km da própria Genebra. E está localizado a uma profundidade de 100 metros.
Localização do Colisor de Hádrons.
Em 2008, começaram os seus primeiros testes sob o patrocínio do CERN, a Organização Europeia para a Investigação Nuclear, que é actualmente o maior laboratório do mundo na área da física de altas energias.
Para que serve o colisor de hádrons?
Com este acelerador de partículas gigante, os físicos podem penetrar mais profundamente na matéria do que nunca. Tudo isso ajuda tanto a confirmar antigas hipóteses científicas quanto a criar novas teorias interessantes. Um estudo detalhado da física das partículas elementares nos ajuda a aproximar-nos na busca por respostas a questões sobre a estrutura do Universo e como ele se originou.
Uma imersão profunda no micromundo permite-nos descobrir novas teorias revolucionárias do espaço-tempo e, quem sabe, talvez consigamos penetrar no segredo do tempo, esta quarta dimensão do nosso mundo.
Como funciona o Colisor de Hádrons?
Agora vamos descrever como o Grande Colisor de Hádrons realmente funciona. O nome fala dos princípios de seu funcionamento, já que a própria palavra “colisor” é traduzida do inglês como “aquele que colide”. Sua principal tarefa é organizar uma colisão de partículas elementares. Além disso, as partículas no colisor voam (e colidem) a velocidades próximas à velocidade da luz. Os resultados das colisões de partículas são registrados por quatro grandes detectores principais: ATLAS, CMS, ALICE e LHCb, e muitos detectores auxiliares.
O princípio de operação do colisor de hádrons é descrito com mais detalhes neste vídeo interessante.
Os perigos do colisor de hádrons
Em geral, as pessoas tendem a ter medo de coisas que não entendem. Isto é precisamente o que ilustra a atitude em relação ao colisor de hádrons e as várias preocupações a ele associadas. O mais radical deles expressou que em caso de uma possível explosão do colisor de hádrons, nem muito, nem pouco, mas toda a humanidade poderia morrer, junto com o planeta Terra, que seria engolido por aquele formado depois a explosão. É claro que os primeiros experimentos mostraram que tais medos nada mais são do que uma história de terror infantil.
Mas algumas preocupações sérias sobre o funcionamento do colisor foram expressas pelo recentemente falecido cientista inglês Stephen Hawking. Além disso, as preocupações de Hawking estão relacionadas não tanto com o colisor em si, mas com o bóson de Higgs obtido com a sua ajuda. Segundo o cientista, esse bóson é um material extremamente instável e, como resultado de uma certa combinação de circunstâncias, pode levar ao decaimento do vácuo e ao desaparecimento total de conceitos como espaço e tempo. Mas nem tudo é tão assustador, pois segundo Hawking, para que algo assim aconteça é necessário um colisor do tamanho de um planeta inteiro.
Ao escrever o artigo, tentei torná-lo o mais interessante, útil e de alta qualidade possível. Eu ficaria grato por qualquer feedback e críticas construtivas na forma de comentários ao artigo. Você também pode escrever seu desejo/pergunta/sugestão para meu e-mail. [e-mail protegido] ou no Facebook, sinceramente o autor.