O LHC: um olhar no interior Understand article

Traduzido por: Helena Santos. No segundo de dois artigos, Rolf Landua, do CERN leva-nos fundo no subterrâneo para visitar o maior esforço científico à face da Terra – O Large Hadron Collider (Grande Colisionador de Hadrões) e as suas experiências.

O acelerador

O Large Hadron Collider^w1 (LHC) da European Organization for Nuclear Research (CERN) é um instrumento científico gigantesco situado na fronteira franco-suíça, próxima de Genebra, Suíça. O acelerador de partículas, maior e mais potente do mundo, será usado por 10000 físicos de 80 países para procurar partículas com o objectivo decifrar a cadeia de acontecimentos que moldaram o universo uma fracção de segundo após o Big Bang. O LHC poderá resolver puzzles que vão desde as propriedades das partículas elementares até às maiores estruturas existentes na vastidão do universo.

A concepção e construção do LHC levaram cerca de 20 anos e tiveram um custo total de 3.6 biliões de euros. Está localizado num túnel de 27 km de comprimento e 3.7 m de largura, a cerca de 100 m de profundidade. A este nível existe estabilidade geológica e a camada rochosa previne que a radioactividade chegue à superfície. Até ao ano 2000 o túnel albergou o grande acelerador de electrões e positrões (LEP), que tinha sido construído em 1989. Este antecessor fazia colidir electrões e as suas anti-partículas, os positrões (para uma explicação da anti-matéria ver Landua & Rau, 2008), por forma a estudar as propriedades das partículas resultantes e as suas interacções com grande precisão.

Existem oito elevadores de acesso ao túnel e, embora a viagem tenha apenas uma paragem, leva cerca de um minuto a realizar. A deslocação entre os oito pontos de acesso é feita de bicicleta, implicando por vezes corridas de vários km. A operação do LHC é feita a partir de uma sala de controlo e, uma vez iniciadas as experiências, os engenheiros e técnicos apenas terão acesso ao túnel para tarefas de manutenção.

A experiência consiste num processo simples: o LHC fará colidir dois hadrões – sejam protões, sejam núcleos de chumbo – a velocidades muito próximas da velocidade da luz. Os elevadíssimos níveis de energia atingidos permitirão que a energia cinética das partículas em colisão se transforme em matéria, de acordo com a equação de Einstein, E=mc2. Todas as partículas, assim criadas na colisão, serão detectadas e medidas. Este acontecimento repetir-se-á 600 milhões de vezes por segundo e por vários anos. O LHC realizará principalmente colisões entre protões, que serão estudadas por três dos seus quatro detectores (ATLAS, CMS e LHCb). No entanto, durante várias semanas por ano, iões pesados (núcleos de chumbo) serão acelerados e colidirão, por forma a serem estudados principalmente pelo detector de ALICE.

Tal como qualquer outro acelerador, o LHC é constituído por três componentes principais: os tubos de feixe, as estruturas de aceleração e o sistema magnético (ver diagrama). No interior dos tubos, de 6.3 cm de diâmetro, feixes de protões (ou de iões pesados) circulam em sentidos opostos num vácuo de 10-13 bar, comparável à densidade de matéria no espaço exterior. Tão baixa pressão é necessária para minimizar as colisões com as partículas de ar e a subsequente perda de aceleração.

Os protões provêm de uma simples garrafa de gás de hidrogénio. Os átomos de hidrogénio consistem num protão e num electrão. Os cientistas removem os electrões usando uma descarga eléctrica, após a qual os protões são conduzidos ao acelerador através de campos eléctricos e magnéticos. Para o feixe do LHC são necessários 300 triliões de protões, mas, uma vez que num centímetro cúbico de gás de hidrogénio, à temperatura ambiente, existem cerca de 60 milhões de triliões de protões, o LHC pode ser alimentado 200000 vezes com apenas um centímetro cúbico de gás – e apenas precisa de ser alimentado duas vezes por dia!

A segunda parte do acelerador consiste nas suas estruturas de aceleração. Antes dos protões (ou dos iões pesados) serem introduzidos nos dois tubos de feixe do LHC, eles são acelerados por pequenos aceleradores (ligados ao LHC) a cerca de 6% da sua energia final. No interior do LHC as partículas adquirem a sua energia final a partir de oito estruturas de aceleração (cavidades de aceleração).

Sempre que as partículas viajam através destas cavidades, são aceleradas por intensos campos eléctricos, da ordem do 5 MV/m. A funcionalidade dos aceleradores é comparável ao surf no mar (ver diagrama): num pacote de protões, com cerca de 100 milhões deles – os surfistas – percorrem juntos uma enorme onda electromagnética e ganham energia cinética. Cada onda acelera um pacote de protões, e cada um dos feixes consiste em 2800 pacotes, um a cada 7 m. Após 20 minutos, os protões terão percorrido uma distância maior do que a distância da Terra ao Sol e volta.

As partículas entram no LHC a 99.9997828 % da velocidade da luz. Após a aceleração elas atingem 99.9999991 %. Esta é aproximadamente a velocidade máxima que pode ser alcançada, uma vez que, de acordo com a teoria da relatividade, nada pode ser mais rápido do que a luz. Embora possa parecer um ganho insignificante, próximo da velocidade da luz, mesmo uma pequena aceleração resulta num ganho elevado em massa; e este é um factor importante a ter em conta. Um protão em repouso tem a massa de 0.938 GeV (938 milhões de electrão-volt). Os aceleradores conduzem os protões a uma massa final (ou energia, que neste caso é praticamente a mesma coisa) de 7 tera electrão-volt (ou 7 TeV). Se pudéssemos – hipoteticamente – acelerar uma pessoa de 100 kg no LHC, a sua massa final seria de 700 toneladas.

Sem forças externas os protões viajariam em linha recta. Para dotá-los de uma trajectória circular, os tubos são circundados por um grande sistema magnético que deflecte o caminho dos protões – estes magnetos são a terça parte de qualquer acelerador de partículas. Quanto maior se tornar a massa da partícula, maior terá de ser a força magnética para a manter alinhada. Esta é a principal limitação dos aceleradores, uma vez que a certas energias o material das bobinas magnéticas não resiste às forças do seu próprio campo magnético. Os magnetos usados no LHC foram especialmente concebidos: a parte dominante do sistema de magnetos consiste em 1232 magnetos dipolares, cada um com um comprimento de ~16 m e pesando 35 toneladas, e que criam um campo máximo de 8.33 Tesla, 150000 vezes mais forte do que o campo magnético da Terra.

Os magnetos têm uma concepção especial 2 em 1: eles contêm duas bobinas magnéticas no interior, cada uma rodeando um dos dois tubos de feixe. A corrente percorre estas bobinas para criar dois campos magnéticos, apontando num sentido num dos tubos e no sentido contrário no outro. Assim, duas partículas (protões ou núcleos de chumbo) com a mesma carga eléctrica, percorrem o mesmo caminho, mas em sentidos opostos – uma em cada tubo de feixe.

Para além dos magnetos dipolares existem ainda magnetos quadripolares (com quatro polos magnéticos) para focar os feixes, e milhares de pequenos sextopolos e octopolos (com seis e oito polos magnéticos, respectivamente) para corrigir o tamanho e a posição dos feixes.

Todas as bobinas magnéticas e cavidades de aceleração são construídas a partir de materiais especiais (nióbio e titânio) que se tornam supercondutores a muito baixas temperaturas, por forma a produzir campos eléctricos e magnéticos sem resistência. Para atingir a máxima performance, os magnetos têm de ser arrefecidos a -271.3ºC (1,9 K) – uma temperatura mais fria do que a do espaço inter-galático. Para arrefecer os magnetos, grande parte do acelerador está ligada a um sistema de distribuição de azoto líquido e hélio (ver caixa). Apenas um oitavo do sistema de distribuição de criogenia seria suficiente para qualificar este sistema como o frigorífico mais potente do mundo.

No anel existem quatro locais, nos quais a cadeia de magnetos é quebrada: eles contêm as quatro grandes cavernas das experiências do LHC e seus detectores. Nestes locais, as trajectórias dos feixes interior e exterior são forçadas a cruzar-se e trocar de lugar em tubos com uma forma especial em X. Em todos os quatro tubos com a forma X, os feixes cruzam-se formando um ângulo de 1,5º, permitindo assim a sua convergência, necessária para a colisão.

Grandes detectores – descritos abaixo – envolvem os pontos de colisão. Para aumentar a probabilidade de colisão, e, apenas em frente de cada câmara, os pacotes de partículas são estreitados por magnetos especiais, a um diâmetro de 16 μm – mais fino do que um cabelo humano – e 80 mm em comprimento. Os feixes são tão minúsculos que a tarefa de fazê-los colidir é semelhante à de disparar duas agulhas, distantes de 10 km, de forma a encontrarem-se a meio caminho. No entanto, a tecnologia do LHC é mesmo capaz de prosseguir esta tarefa. Todavia, mesmo nestes feixes de partículas altamente focados, a densidade é muito baixa – 100 milhões de vezes menor do que a da água – e, assim, muitas das partículas de um pacote passam pelas outras do pacote oposto sem colidir, ou mesmo abrandar. Portanto, embora haja 100 biliões de protões em cada pacote, quando dois destes se cruzam, apenas ocorrem cerca de vinte colisões. Uma vez que o cruzamento de dois pacotes ocorre 31 milhões de vezes por segundo (2800 pacotes x 11245 voltas no anel do LHC por segundo) teremos ainda cerca de 600 milhões de colisões entre protões por segundo quando o LHC operar com a máxima intensidade.

Um único pacote de protões, viajando com a máxima velocidade, tem a mesma energia cinética do que um elefante pesando 1 tonelada e correndo a 50 km/h. A energia total contida no feixe é 315 megajoules (MJ), suficiente para derreter aproximadamente 500 kg de cobre. Sendo assim, esforços consideráveis na segurança do LHC foram realizados. Existem sensores que detectam imediatamente qualquer instabilidade do feixe, e, em caso de necessidade, no espaço de três voltas ao anel (i.e., em menos de um milésimo de segundo) o feixe será deflectido para uma espécie de saída de emergência, onde será absorvido por placas de grafite e de betão antes de poder causar qualquer dano (ver diagrama acima).

As Experiências

No LHC colidem dois protões com uma energia cinética total de 7 + 7 = 14 TeV (ou dois iões de chumbo com uma energia total de 1140 TeV) e serão detectadas novas partículas, produzidas pelo facto da a energia cinética se transformar em matéria.

De acordo com a física quântica, estas colisões darão origem a todas as partículas do Modelo Padrão (tal como descrito em Landua & Rau, 2008) mediante certas probabilidades. No entanto, a probabilidade de gerar as partículas pesadas, procuradas pelos cientistas, é muito pequena. Poucas colisões serão suficientemente fortes para produzir este tipo de partículas. A teoria prevê que o bosão de Higgs (para aprender mais sobre esta partícula aceda a Landua & Rau, 2008) ou outros fenómenos, nunca antes ocorridos e que também são alvo de investigação, serão produzidos muito raramente (tipicamente uma em 1012 colisões) e, portanto, será necessário o estudo de muitas colisões, por forma a encontrar “uma agulha num palheiro”. Daí que o LHC tenha de funcionar durante muitos anos, 24 horas por dia.

Os eventos (um evento é o nome que se dá a uma colisão com todas as partículas resultantes) serão estudados em grandes detectores, capazes de reconstruir a história das colisões e de guardar as suas elevadíssimas taxas de ocorrência. Estes detectores são comparáveis a enormes câmaras digitais que podem tirar até 40 milhões de fotografias por segundo (com informação proveniente de 10 milhões de sensores). Os detectores são construídos com uma estrutura em camadas, tendo cada uma uma funcionalidade distinta (ver o diagrama). As camadas interiores são menos densas, enquanto as exteriores são mais densas e mais compactas.

As partículas pesadas que os cientistas esperam produzir nas colisões do LHC têm previsivelmente uma vida muito curta, decaindo rapidamente em outras partículas, mais leves e conhecidas. Após uma forte colisão, centenas destas partículas leves, por exemplo electrões, muões ou fotões e, também ,protões, neutrões e outras, viajam através do detector com uma velocidade próxima da velocidade da luz. Os detectores usam estas partículas leves para deduzir a existência das novas e mais pesadas partículas.

As trajectórias das partículas carregadas são deflectidas por campos magnéticos e o seu raio de curvatura é usado para calcular o seu momento linear: quanto maior for a energia cinética da partícula mais suave será o seu raio de curvatura. Por consequência, para partículas muito energéticas será necessário medir trajectórias suficientemente longas, de modo a determinar o seu raio de curvatura com precisão. Outras partes de um detector, igualmente importantes, são os calorímetros, que servem para medir a energia das partículas (carregadas e neutras). Os calorímetros também têm de ser suficientemente grandes para absorver a maior quantidade de energia possível. Estas são as principais razões das elevadas dimensões que caracterizam os detectores do LHC.

Os detectores envolvem hermeticamente a região de interacção para que a energia e o momento totais de cada evento possam ser medidos, bem como a sua história possa ser reconstruída em detalhe. A informação combinada das diferentes camadas do detector permite determinar o tipo de partícula através do seu rasto.

As partículas carregadas – electrões, protões e muões – deixam traços por ionização. Os electrões são muito leves e portanto perdem a sua energia rapidamente, enquanto os protões penetram mais profundamente nas diferentes camadas do detector. Os fotões não deixam traços, mas nos calorímetros cada fotão converte-se num electrão e num positrão, cujas energias são então medidas, permitindo assim deduzir a energia do fotão inicial. A energia dos neutrões é medida indirectamente: os neutrões transferem a sua energia aos protões e são estes que depois são detectados. Os muões são as únicas partículas que atingem as camadas mais externas do detector (ver o diagrama abaixo) e nas quais são detectados.

Cada parte de um detector está ligada a um sistema electrónico de registo de acontecimentos através de milhares de cabos. Assim que um impulso é registado, o sistema guarda o local e tempo exactos e envia a informação para um computador. Várias centenas de computadores trabalham em conjunto por forma a combinar a informação. No topo da hierarquia dos computadores existe um sistema que decide rapidamente (numa fracção de segundo) se o evento é interessante, ou não. Existem diferentes critérios para seleccionar os eventos potencialmente interessantes e reduzir as enormes quantidades de dados. Dos 600 milhões de eventos iniciais por segundo, restarão umas escassas centenas. Serão estes os eventos posteriormente analisados em detalhe.

Os detectores do LHC foram desenhados, construídos e regulados por colaborações internacionais que reúnem cientistas de institutos provenientes de todo o mundo. No total, existem quatro grandes (ATLAS, CMS, LHCb e ALICE) e duas pequenas (TOTEM e LHCf) experiências no LHC. Considerando que foram necessários 20 anos para planear e construir os detectores e que se pretende que eles funcionem por mais 10 anos, a duração total das experiências é quase equivalente à duração da carreira de um físico.

A construção destes detectores é o resultado do que se poderia chamar de “group intelligence”: enquanto os cientistas que trabalham num detector compreendem a sua função no geral, nenhum deles está familiarizado com todos os detalhes e funções precisas de cada parte isolada. Em tais colaborações, cada cientista contribui com a sua especialização para o sucesso colectivo.

ATLAS e CMS

As duas maiores experiências do LHC, ATLAS^w2 (A Toroidal LHC ApparatuS) e CMS^w3 (Compact Muon Solenoid) são detectores ‘multi-usos’, optimizados para a procura de novas partículas. ATLAS e CMS estão localizados em lados opostos do anel do LHC, distanciados de 9 km (ver diagram das experiências). A existência de dois detectores, de concepção independente, é crucial para a confirmação mútua de quaisquer novas descobertas. As colaborações de ATLAS e CMS são constituídas, cada uma, por mais de 2000 físicos oriundos de 35 países.

O detector de ATLAS tem a forma de um cilindro de 25 m de diâmetro e 45m de comprimento, cerca de metade da Catedral de Notre-Dame de Paris. O seu peso é equivalente ao da Torre Eiffel (7000 toneladas). O campo magnético é produzido por um solenóide na parte interna e por um enorme magneto toroidal, na forma de um “doughnut”, na parte externa (ver diagram, à direita).

O detector de CMS também tem uma forma cilíndrica (15 m de diâmetro e 21 m de comprimento) e está construído em volta de um magneto solenóide supercondutor que gera um campo de 4 Tesla e que está confinado por um núcleo de aço, contribuindo significativamente para um peso total de 12500 toneladas. Enquanto ATLAS foi construído no local definitivo, o detector de CMS foi construído à superfície, tendo sido transportado à caverna subterrânea em 15 secções e depois montado.

LHCb

A experiência LHCb^w4 ajudar-nos-á a compreender porque razão vivemos num universo que aparenta ser constituído quase inteiramente por matéria e não por anti-matéria. É uma experiência especialmente vocacionada para investigar as pequenas diferenças entre a matéria e a anti-matéria através do estudo de uma partícula denominada por quark ‘bottom’, b (para uma explicação da anti-matéria e tipos de quarks ver Landua & Rau, 2008). Para identificar e medir os quarks b e os seus respectivos parceiros de anti-matéria, os anti-quarks b, o LHCb tem detectores de traços que são móveis e muito sofisticados, localizados muito próximo do feixe que circula no LHC.

ALICE

ALICE^w5 (A Large Ion Collider Experiment) é um detector especializado para analisar colisões entre iões de chumbo. Por poucas semanas em cada ano, serão estes e não os protões que circularão no LHC. Entre as dimensões de um núcleo atómico estarão criadas as condições que prevaleceram cerca de um milionésimo de segundo após o Big Bang, quando a temperatura do universo era cerca de 100000 vezes maior do que o interior do Sol. Estas condições serão suficientes para criar um estado da matéria, denominado por plasma de quarks e gluões, cujas características os cientistas esperam estudar. (para uma explicação mais detalhada ver Landua, 2008).

O desafio dos dados

O LHC produzirá anualmente 15 petabytes (15 milhões de gigabytes) de dados, suficientes para preencher mais de 3 milhões de DVD. Milhares de cientistas de todo o mundo pretenderão aceder e analisar estes dados; assim o CERN está em colaboração com instituições de 33 países para operar a infra-estrutura de armazenamento e computação de dados: a LHC Computing Grid (LCG).

O LCG permitirá que os dados das experiências do LHC possam ser distribuídos por todo o planeta, com uma gravação primária armazenada no CERN. Após um processamento inicial, os dados serão distribuídos por onze grandes centros de computadores. Estes centros, denominados por “tier-1”, disponibilizarão os dados a mais de 120 centros “tier-2” para tarefas de análise específicas. Cientistas individuais poderão aceder, assim, aos dados do LHC a partir dos seus países de origem, usando centros de computadores locais, ou mesmo, computadores pessoais.

Quem trabalha no LHC?

Liz Gregson do Imperial College London, UK, fala com diversos cientistas do CERN.

Katharine Leney, física de ATLAS

A Katharine está a fazer um doutoramento em física, investigando o bosão de Higgs e trabalhando no detector de ATLAS. Também desenvolve um sistema de monitorização das condições do detector que assegura que os dados obtidos serão usáveis. “É realmente um tempo fascinante para estar aqui, trabalhando ao lado de alguns dos maiores cientistas do mundo”. Para além deste trabalho, a Katherine tornou-se recentemente guia do CERN, mostrando aos visitantes as experiências e explicando o trabalho dos cientistas.

Dr. Marco Cattaneo, Coordenador de Projecto

O Marco nasceu em Itália e deslocou-se para o Reino Unido aos dez anos de idade. Hoje em dia ele vive em França, trabalha na Suíça, tem uma mulher de dupla nacionalidade, suíça e inglesa, e dois filhos, que falam fluentemente três línguas. “Quando lhes pergunto quem sou, eles apenas respondem – Europeu!”, diz ele. O Marco pertence ao CERN desde 1994. É um co-líder de projecto em software e computação para a experiência de LHCb. A sua principal ocupação é coordenar o trabalho de 50 físicos que desenvolvem um software que permite reconstruir as trajectórias das partículas, registadas no detector. Estas serão depois integradas num programa de reconstrução, por forma a que as características dos eventos possam ser estudadas.

Marco desfruta da atmosfera do CERN: “ O CERN atrai cerca de 50% da comunidade mundial dos físicos de partículas, o que significa que a vasta maioria das pessoas que trabalham no CERN é altamente qualificada na sua área e muito motivada no seu trabalho. Não é raro estar entre laureados do Nobel”.

Este texto foi publicado no Imperial College London alumni magazine, Imperial Matters.

References

• Landua R, Rau M (2008) LHC: um passo mais na direcção do Big Bang. Science in School 10. www.scienceinschool.org/2008/issue10/lhcwhy/portuguese

Web References

• w1 – Um guia para o Grande Acelerador de Hadrões encontra-se em: http://cdsweb.cern.ch/record/1092437/files/CERN-Brochure-2008-001-Eng.pdf
• Um video do Large Hadron Rap encontra-se em: www.youtube.com/watch?v=j50ZssEojtM
• w2 – Para mais informação sobre a Experiência ATLAS ver: http://atlas.ch
• w3 – Para mais informação sobre a Experiência CMS ver: http://cms.web.cern.ch
• w4 – Para mais informação sobre a Experiência LHCb ver: http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public
• w5 – Para mais informação sobre a Experiência ALICE ver: http://aliceinfo.cern.ch/Public/Welcome.html

Resources

• Existe um livro de Rolf Landua (em alemão) com bastantes detalhes sobre o Modelo Padrão e as experiências do LHC:Landua R (2008) Am Rand der Dimensionen. Frankfurt, Germany: Suhrkamp Verlag
• Boffin H (2008) “Intelligence is of secondary importance in research”. Science in School 10: 14-19. www.scienceinschool.org/2008/issue10/tamaradavis
• Warmbein B (2007) Making dark matter a little brighter. Science in School 5: 78-80. www.scienceinschool.org/2007/issue5/jennylist
• O site do CERN dedica um espaço significativo ao LHC; ver: http://public.web.cern.ch/public/en/LHC
• As páginas do CERN oferecem material importante para o ensino da física das partículas e aceleradores: http://education.web.cern.ch/education/Chapter2/Intro.html
• Incluído neste material didático existe online um jogo sobre o LHC em inglês, francês, alemão e italiano:  http://microcosm.web.cern.ch/microcosm/LHCGame/LHCGame.html
• O site inglês do LHC inclui material sobre o LHC destinado a professores e estudantes: www.lhc.ac.uk

Institutions

Author(s)

Rolf Landua é o chefe do Projecto Educacional no CERN, onde tem vindo a trabalhar desde 1980. Enquanto físico de partículas alemão, ele foi co-fundador da Fábrica de Anti-matéria do CERN e liderou o projecto ATHENA, que criou milhões de átomos de anti-hidrogénio em 2002. Ele é (secretamente) famoso pelo modelo do personagem de Leonardo Vetra, um físico da anti-matéria do CERN que foi assassinado nas primeiras páginas do livro de Dan Brown, Anjos e Demónios. Este livro deu origem recentemente (Maio de 2009) a um filme de Hollywood. Ele tem cursos no CERN para professores oriundos de toda a Europa, colabora regularmente em programas de rádio e de televisão e publicou recentemente um livro, em alemão, sobre a física de partículas no CERN (Am Rand der Dimensionen, On the Border of the Dimensions, ver recursos). Pela sua dedicação à divulgação científica nas escolas, ele recebeu o prémio de comunicação da Sociedade Europeia de Física em 2003.cation in schools, he received the 2003 European Physical Society’s communication award.

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