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Como funciona o Grande Colisor de Hádrons?

Há 100 metros de profundidade, sob a fronteira entre a França e a Suíça, existe uma gigantesca máquina que pode nos revelar os segredos do universo. Esta máquina é o mais poderoso acelerador de partículas do mundo, o Large Hadron Collider (LHC – Grande Colisor de Hádrons) e ficou famosa pela descoberta do, há muito procurado, bóson de Higgs em 2012. Desde então, o colisor passou a funcionar com a metade de sua potência para que pudesse sofrer uma grande atualização. Neste ano, o LHC voltou a funcionar com força total para que mais de 12 mil cientistas possam explorar as questões mais profundas e mais estranhas da física de partículas. O que eles vão encontrar, é uma incógnita, mas vamos tentar entender como este colisor funciona.

Dando Start

Este grande experimento começa em uma garrafinha de hidrogênio que é onde estão os prótons que serão acelerados. Um equipamento chamado Duoplasmatron gera uma descarga elétrica nos átomos de hidrogênio arrancando deles o seu único elétron, deixando livre o seu próton correspondente.

Aceleração

Saindo do Duoplasmatron, os prótons passam por 4 estágios de aceleração até chegar a galeria do LHC. O colisor ocupa um túnel circular de cerca de 27 km de circunferência e é revestido com diferentes tipos de ímãs supercondutores com uma série de estruturas de aceleração para aumentar a energia das partículas ao longo do caminho.

Desta forma, dois feixes de prótons viajam ao redor do túnel em direções opostas. Lá, essas partículas se movimentam próximo da velocidade da luz, dando 11 245 voltas no túnel a cada segundo.

Para que mantenham essa velocidade, elas são guiadas em torno do acelerador por um forte campo magnético mantido por eletroímãs supercondutores que precisam ser refrigerados por hélio líquido para que se mantenham a temperatura de -271,3 °C

Milhares de ímãs de diferentes variedades e tamanhos são usados para direcionar os feixes ao redor do acelerador. Pouco antes da colisão, um destes ímãs faz uma aproximação das partículas, aumentando as chance delas colidirem. Para se ter uma ideia, fazê-las colidir é semelhante a disparar duas agulhas a 10 km de distância uma da outra com a precisão necessária para que elas se encontrem.

Colisão

No interior do colisor há detectores construídos de maneira específica para realizar diferentes tipos de estudos. As colisões são previstas para ocorrerem em quatro locais ao redor do túnel que correspondem à posição dos quatro detectores de partículas do LHC. São eles: o ATLAS, que é um detector de uso geral, usado para procurar fenômenos que estejam além Modelo Padrão da Física, o CMS, também de uso geral, utilizado para caçar o bóson de Higgs e procurar por pistas sobre a natureza da matéria escura, o ALICE, que está estudando uma forma de “fluido” da matéria chamado de plasma quark-glúon que existiu logo após o Big Bang, e LHCb que está investigando a antimatéria.

O que ocorre com as partículas após a colisão

A famosa teoria de Einstein, E = mc², define que a energia pode ser convertida em massa e vice-versa. Assim, a energia de dois prótons colidindo pode se combinar e se converter em novas partículas maciças, como os quarks up, down, strange, charm, bottom e top. O quark top é a mais pesada partícula do mundo subatômico já observada. Ele é instável, o que o faz decair rapidamente em quarks up ou down, que são geralmente estáveis e mais comuns no universo. Strange, charm e bottom também são quarks instáveis que só podem ser produzidos em colisões de alta energia.

Essas partículas subatômicas se afastam do ponto de colisão. Desta maneira, os detectores podem medir suas propriedades, incluindo posições no espaço, energia, força, massa e carga. Os físicos usam estas informação para deduzir a identidade das partículas criadas no momento da colisão e vasculhar os dados para anomalias que podem indicar algo inteiramente novo.