O documento descreve o Large Hadron Collider (LHC), o maior acelerador de partículas do mundo localizado no CERN. O LHC usa ímãs supercondutores para acelerar feixes de prótons a velocidades próximas à luz e fazer suas colisões, a fim de estudar a estrutura fundamental da matéria e testar o Modelo Padrão da física de partículas.

1. LHC
Large Hadrons Collider
ou
Grande Colisor de Hádrons

2. LHC é o maior empreendimento
científico e tecnológico da atualidade,
por seu tamanho,
número de cientistas e técnicos,
tecnologia empregada
e objetivos científicos.
Um dos pontos mais altos na história do
Homo Faber.

3. Um acelerador de partículas e seus
detectores estão para os físicos de
partículas, assim como,
o telescópio está para o astrônomo,
o microscópio para o biólogo ou
o olho para o ser humano.
A função é praticamente a mesma:
observar a natureza em dimensões
ínfimas.

4. O maior instrumento científico do mundo,
construído paradoxalmente para
investigar as menores dimensões.
Esse ‘supermicroscópio’,
fica enterrado a 100 m
de profundidade, na fronteira
entre Suíça e França e faz parte da
Organização Européia para a Pesquisa
Nuclear, CERN

9. O globo de madeira é uma estrutura construída
originalmente para a exposição nacional da
Suíça, tem 40 m de largura, 27 m de altura

10. Sala de controle

11. Mesa de trabalho

12. O custo total para
por o LHC em funcionamento,
foi de US$ 10 bilhões,
ou mais ou menos R$ 20 bilhões.
Caro?
Vejamos...

13. O projeto começou em 2001,
são 8 anos de construção,
o que dá US$ 1,3 bilhões por ano
divididos entre 20 países da Europa,
em média de um investimento de
US$ 8 milhões por país por ano.
A Europa gasta por ano apenas 1,8% do
PIB (em torno de US$ 3,7 trilhões)
com ciência e tecnologia,
os EUA 2,6%, o Japão 3,4%.

14. Isso significa que a Europa está
gastando, 0,00001% do PIB no LHC, que
é um dos projetos mais proeminentes da
ciência de hoje.
Os EUA sozinho poderia bancar o LHC

15. Comparando o gasto anual dos salários
de todo Congresso e Senado
e o orçamento total do MCT do Brasil.
Ciência e Tecnologia R$ 6 bilhões
Senado e Congresso R$ 4 bilhões
PIB R$ 3 trilhões
MTC 0,001% do PIB
S&C 0,002% do PIB

16. O CERN revolucionou a informação com
a criação da famosa ‘www’.
Só isso já valeria todo o investimento
feito nesse laboratório europeu,
que acumulou, desde sua fundação, em
1954, uma longa lista de bons serviços
prestados à ciência e à humanidade.

17. Voltando as
características do LHC

18. O objetivo é estudar a estrutura da
matéria em dimensões inferiores
ao tamanho dos prótons:
10-18
m, ou seja,
0,000.000.000.000.000.001 m.
A primeira missão desse acelerador é
estudar elementos previstos
ou mal compreendidos
no Modelo Padrão (MP).

19. Há quatro forças no universo:
i) a força nuclear forte, responsável por
manter o núcleo atômico coeso;
ii) a nuclear fraca, ocorre no decaimento
radioativo;
iii) a eletromagnética, que atua quando
cargas elétricas estão envolvidas.
iv) a gravitacional não faz parte do MP.

20. Unir essas quatro forças em uma só tem
sido um tema de intensa pesquisa,
e é possível que os resultados do LHC
ajudem a indicar aos físicos
que caminhos seguir.

21. A segunda missão desse acelerador
(e mais difícil) é buscar novos fenômenos
físicos na altíssima escala de energia
que será atingida por essa máquina em
volumes infinitesimais de espaço.
O LHC foi feito usando o túnel do LEP,
que colidia elétrons e pósitrons,
mas com energias 70 vezes menores
(200⋅109
eV).

22. No LHC, a cada segundo, um feixe com
cerca de 3 trilhões de prótons, à
velocidade próxima à da luz no vácuo irá
atravessar outro feixe com mesmas as
características.
Choques ‘de frente’ ocorrerão à taxa de
40 milhões por segundo.
Quando atingir o máximo de
energia, cada próton estará
dando,
11 mil voltas/s no anel de 27

23. A unidade eV é muito pequena
quando comparada as energias que
estamos acostumados no dia-a-dia,
1 Cal=26 trilhões de eV,
mas é preciso lembrar que um
próton é trilhões de vezes menor
que um grão de areia.
Somadas as energias de todos os
prótons envolvidos nas colisões
seriam equivalentes à de um carro
de 1,5 tonelada,
viajando a 25 mil km/h.

24. O LHC foi projetado para
trabalhar num vácuo onde há
menos matéria
do que há no espaço
a mil km de altitude.
Para uma comparação a
Estação Espacial Internacional
está a 380 km de altitude.

25. No anel do LHC, serão apenas
3 milhões de moléculas por cm3
,
espantoso para um vácuo artificial.
O LHC usa ímãs supercondutores,
cuja função é ‘forçar’ o feixe de prótons
a fazer curvas e permanecer sempre na
trajetória circular do anel.

26. Esses equipamentos sofisticados irão
trabalhar a -271 graus Celsius, valor
inferior à temperatura do espaço
intergaláctico.
Será aplicado sobre o feixe um campo
magnético 100 mil vezes superior ao da
Terra.

27. Ao longo do túnel, serão instalados
1.640 ímãs supercondutores, que, terão
14 m de comprimento cada.
Para manter esses equipamentos a
baixas temperaturas, serão usados
12 milhões de litros de nitrogênio
líquido (para iniciar o processo de
refrigeração) e, em seguida,
700 mil litros de hélio líquido,
para atingir a temperatura desejada.

28. Os ímãs do LHC foram produzidos com
fios de liga de cobre, titânio e nióbio (este
último metal foi comprado do Brasil, que detém
praticamente o monopólio
das reservas mundiais).
Quando refrigeradas, essas ligas
conduzem eletricidade sem praticamente
dissipar calor.

29. Se unidos pelas pontas, o
comprimento total desses fios
(cuja espessura é semelhante à de um fio de cabelo)
seria o suficiente para cinco
viagens
de ida e volta ao Sol
(150 milhões de km cada uma delas).
E ainda sobraria fio suficiente
para ir algumas vezes à Lua
(360 mil km da Terra).

30. Para manter esses
equipamentos
a baixas temperaturas,
serão usados
12 milhões de litros de
nitrogênio líquido
(para iniciar o processo de refrigeração)
e, em seguida,
700 mil litros de hélio líquido,
para atingir a temperatura
desejada.

31. Nas colisões entre prótons, a
energia será suficiente para
criar centenas de outras
partículas, incluindo outros
prótons.
Essa transformação de energia
em matéria tem como base
equação de Einstein,
E = mc².

32. Na explosão das bombas atômicas
sobre o Japão,
alguns quilos de plutônio,
deram origem a um ‘cogumelo’ atômico
com quilômetros de altura, num
processo de físsão,
que transforma matéria em energia com
eficiência de apenas 1%.

33. Nos aceleradores, ocorre o inverso:
a energia dos prótons transforma-se, por
meio das colisões, em matéria.

34. O LHC deverá ajudar os cientistas a
responder questões como:
i) Existe o bóson de Higgs?
ii) Os físicos têm uma teoria adequada
para explicar o que aconteceu com a
antimatéria do universo?
iii) Existiu a ‘sopa’ quentíssima de quarks
e glúons?
iv) Existe matéria exótica?

35. i) Existe o bóson de Higgs?

36. O MP tem como um de seus
fundamentos a unificação de duas
forças: a eletromagnética, que tem
alcance ilimitado, e a força fraca, cujo
raio de ação é inferior a 10-15
cm (diâmetro
nuclear).
A unificação entre forças tão dispares só
é permitida, segundo o MP,
por meio do chamado
mecanismo de Higgs.

37. Segundo esse processo,
existiria uma partícula
(denominada bóson de Higgs)
que faria com que o fóton
(sem massa e é responsável por ‘transmitir’
a força eletromagnética)
possa ser considerado um ‘irmão’ dos
bósons Z0
e W+
(‘transmissores’ da força fraca, cujas massas
são 90 vezes maiores que a do próton).

38. Os físicos têm muita convicção de que
o bóson de Higgs
(100 vezes mais pesado que o próton)
seja a partícula responsável por gerar a
massa nos bósons Z0
e W+
.
Há uma alta expectativa para o
bóson de Higgs ser detectado
no LHC.

39. ii) Os físicos têm uma teoria adequada
para explicar o que aconteceu com a
antimatéria do universo?

40. Toda partícula de matéria tem sua
antipartícula.
Assim, o elétron tem o pósitron.
Quando matéria e antimatéria se
encontram, elas se desintegram,
transformando-se em energia.

41. No Big Bang, que deu início ao universo,
deveria ter sido criada a mesma
quantidade de matéria e antimatéria.
Observações mostram que o universo é
dominado pela matéria.
Surge assim uma das questões mais
fundamentais da física atual:
o que teria acontecido com a antimatéria?

42. Desde a década de 1970, os físicos têm
uma teoria para explicar,
em parte, por que há essa assimetria
entre matéria e antimatéria.
Essas idéias mostraram estar no
caminho certo quando,
foi prevista a existência
de dois novos quarks,
o top e o bottom,
que depois foram detectados.

43. Porém, há evidências de que a teoria
não seja suficiente para explicar a
esmagadora superioridade da matéria
em nosso universo.
No mínimo, o LHC deverá determinar se
essa teoria é exata ou não, o que já
será uma grande contribuição dessa
máquina.

44. Mas ainda é possível que o LHC,
ao investigar essa questão,
encontre novos fenômenos
que ajudem no entendimento
de por que a natureza
deu preferência à matéria
em detrimento da antimatéria.

45. iii) Existiu a ‘sopa’ quentíssima de quarks
e glúons?

46. Na criação do universo,
há 13,7 bilhões de anos, houve um
momento em que a matéria não era
constituída nem por prótons,
nem por nêutrons.
O que reinava era o plasma formado
pelos constituintes básicos das
partículas nucleares, os quarks e os
glúons (estes últimos funcionam como uma ‘cola’
para manter os quarks unidos).

47. O LHC vai tentar reproduzir esse estado
primordial do universo, previsto pela
cromodinâmica quântica.
Essa teoria é a parte do MP que lida
com a força forte, que é cerca de 1039
vezes mais intensa que a gravitacional,
mas só atua nas dimensões nucleares
(10-15
m).

48. Para reproduzir
o plasma de quark-glúons,
será necessário gerar colisões
cujas temperaturas serão
cerca de 100 mil vezes superiores
àquelas no centro do Sol,
algo como 1020 o
C.

49. iv) Existe matéria exótica?

50. Matéria exótica, que pode ser a
componente da matéria escura,
seria uma misteriosa partícula
não visível para os telescópios
nem demais instrumentos
de observação,
mas que compõe 22% do Universo
e afeta a rotação das galáxias.

51. O LHC terá quatro detectores principais,
posicionados em pontos diferentes de seu
anel.
ALICE – A Large Ion Collider Experiment
CMS – Compact Muon Solenoid
ATLAS – A Toroidal LHC Apparatus
LHCb – LHC Beauty

53. Atlas - O nome revela muito de seu
perfil, é o maior dos quatro detectores do
LHC.
Foi desenhado para determinar
a existência (ou não)
do bóson de Higgs,
embora vá desempenhar outras tarefas.
A equipe reunirá 1800 colaboradores, de
34 países.

54. O detector ATLAS.

55. O detector ATLAS contém uma série de cilindros concêntricos em
torno do ponto central onde a interação de prótons colidem.

57. Atlas

58. Alinhamento dos imãs.

59. CMS - é um detector com objetivos mais
gerais, embora também esteja
estruturado para caçar
o bóson de Higgs.
Em sua equipe, estão 2500
pesquisadores, de 37países.

60. O CMS do LHC concebido para explorar as energias da escala Tera
(trilhão), onde os físicos acreditam que irão encontrar respostas
para as questões centrais da física de partículas do século 21.

61. CMS

63. Alice - um cilindro, com 5 m de
diâmetro e 5 m de comprimento,
é o único detector dedicado
praticamente ao estudo
do plasma de quark-glúons.
Uma colaboração envolvendo 1000
físicos e técnicos, de 30 países.

64. ALICE

65. ALICE

66. LHCb - O objetivo principal é o de estudar
o comportamento da matéria e da
antimatéria, com base nas propriedades
dos mésons B (beauty).
Vai verificar se, no momento da criação
desse tipo de méson,
se a natureza privilegia a matéria
em detrimento da antimatéria
(ou vice-versa).
O LHCb possui 600 colaboradores,
de 13 países.

72. Os experimentos que serão realizados
no LHC irão gerar mais de 10 milhões
de gigabytes de informação, o que
equivale a uma pilha de 20 km de altura
de CDs,
com a capacidade máxima de
armazenamento esgotada.

73. Para analisar, gerenciar e armazenar
essa quantidade astronômica de dados,
o LHC criou uma rede (ou grade) de
computadores interligados, com
centenas de pequenos e grandes
centros de computação.

74. Essa rede distribui potência
computacional e capacidade de
armazenamento de dados.
Essa malha gigantesca e hiperveloz de
computadores, já está prestando
serviços de utilidade pública:

75. Recentemente, os cerca de 300 mil
componentes químicos do vírus da
gripe aviária foram analisados por
2 mil computadores dessa grade.
Objetivo: buscar potenciais
medicamentos contra a doença.

76. Outro exemplo: a infra-estrutura do
EGEE fez simulações computacionais
que permitiram avaliar mais de 40
milhões de candidatos a medicamentos
contra a malária.

77. Centro de computação do LHC

80. Final da
6ª parte