Colidindo partículas: história, momentum e energia

Parte 1

Resumo A origem dos aceleradores Hoje

As partículas elementares Alguns centros de pesquisas

O Grande Colisor de Hádrons Alguns dados Os detectores

Leis de conservação Momentum linear Energia

O que acontece no LHC?

Um pouco de história

O desenvolvimento do estudos sobre partículas elementares através de aceleradores de partículas teve início com os chamados tubos de raios catódicos, no fim do século XIX.

Um pouco de história

Um tubo de raios catódicos consiste em uma ampola de vidro preenchida com um gás submetido a baixa pressão, na qual se pode observar uma descarga elétrica de um terminal (cátodo) para outro (anodo) dentro do tubo.

Um pouco de história

Através de inúmeras experiências, chegou-se a conclusão de que o feixe luminoso era consequência de excitações das moléculas do gás, resultantes dos choques com as partículas carregadas provenientes do cátodo.

Um pouco de história

Em 1987, J.J. Thomson conseguiu medir a razão entre a carga e a massa dessas partículas, chegando a conclusão de que a massa desta era 1836 vezes menor do que a massa do hidrogênio ionizada.

Um pouco de história

Ele verificou ainda que esses corpúsculos carregados eram exatamente os mesmo, independente do gás e dos elementos que constituíam os terminais, ou seja, esses pareciam ser constituintes universais da matéria, mostrando que o átomo não era indivisível!

Sendo tais partículas constituintes dos átomos, surge, então, a questão: o que são os átomos ?

Um pouco de história

Um pouco de história

Hoje: as partículas elementares

Hoje: as partículas elementares

Com o desenvolvimentos dos estudos dos constituintes da matéria através de aceleradores de partículas, hoje sabemos que, além dos elétrons, inúmeras outras partículas constituem a matéria.

Existe atualmente um modelo, denominado de Modelo Padrão, que resume toda a gama de partículas já descobertas (e outras que ainda não foram).

Hoje: as partículas elementares

Hoje: alguns centros de pesquisa

Com o desenvolvimento na área de aceleradores e detectores de partículas, atualmente existem diversos centros de estudos físicos espalhados pelo mundo. Como exemplo, temos o DESY, o FERMILAB, o CERN e o LNLS.

Hoje: alguns centros de pesquisa

DESY é o maior centro de investigação alemão de Física de Partículas, com sedes em Hamburgo e Berlim.

Tem desenvolvido e operando vários aceleradores de partículas: DORIS, PETRA, HASYLAB, HERA e FLASH.

Desenvolve pesquisa, dentre outros, na área de altas energias, astronomia de neutrinos e raios gamma de altas energias.

Hoje: alguns centros de pesquisa

Hoje: alguns centros de pesquisa

FERMILAB esta situado em Batavia, Illinois (Estados Unidos).

No FERMILAB esta o TEVATRON, sincrotrón que acelera prótons e antiprótons em um anel de 6,3 km de circunferência até energias de quase 1 TeV de energia, de onde prove seu nome.

Algumas contribuições do TEVATRON: descoberta do quark top em 1995; descoberta do neutrino tauónico no ano 2000 no experimento DONUT; em 2007 conseguiu-se medir a massa do quark top com uma precisão próxima ao 1%.

Hoje: alguns centros de pesquisa

Hoje: alguns centros de pesquisa

LNLS: O Laboratório Nacional de Luz Síncrotron é um instituição de pesquisa em física, biologia estrutural, nanotecnologia, etc., na cidade de Campinas, São Paulo.

O LNLS possui um acelerador de partículas (um síncrotron) usado como fonte de luz que é o pioneiro desse gênero no Hemisfério Sul e foi construído e projetado no Brasil.

Hoje: alguns centros de pesquisa

Hoje: alguns centros de pesquisa

Hoje: alguns centros de pesquisa

A Organização Europeia para a Investigação Nuclear, conhecido como CERN, é o maior laboratório de física de partículas do mundo, localizado na região noroeste de Genebra, na fronteira da França com a Suíça, e criado em 1954.

A organização tem vinte estados membros e é atualmente o local de trabalho de aproximadamente 2600 funcionários em tempo integral, assim como 7931 cientistas e engenheiros (representando 580 universidades e centros de pesquisa e 80 nacionalidades).

Hoje: alguns centros de pesquisa

A principal função do CERN é fornecer aceleradores de partículas e outras infraestruturas necessárias para a pesquisa de alta energia física.

Também é conhecido por ser o local de nascimento da World Wide Web (www).

O CERN emprega nas suas instalações um conjunto de 6 aceleradores. Cada um tem por finalidade aumentar a energia do feixe das partículas recebidas antes de as enviar a experiências ou a um outro acelerador.

Hoje: alguns centros de pesquisa

Duoplasmatron de 90 keV, RFQ de 750 keV, Linac 2 de 50 MeV, Síncroton Injetor do PS ou (PSB) de “PS

Booster” de 1,4 GeV, Síncrotron a Prótons (PS) de 25 GeV e Super Síncroton de Prótons (SPS) de

450 GeV e LHC 3,5 TeV .

Hoje: alguns centros de pesquisa

O Grande Colisor de Hádrons O Grande Colisor de Hádrons (LHC), o

maior acelerador de partículas, esta localizado na fronteira entre França e Suíça, onde trabalharam cerca de 5000 físicos.

A partir de 1996, a CERN iniciou a construção a uma profundidade de 100m e o anel principal do acelerador possui 27km de circunferência e foi esfriado durante dois anos até chegar a menos 271,3°C, ou seja, 1,9°C a mais que o zero absoluto.

O Grande Colisor de Hádrons

Alguns dados

Ao redor do anel foram instalados quatro grandes detectores em cujos núcleos serão produzidas grandes colisões de prótons (partículas da família dos hádrons).

O LHC atingirá 99,999% da velocidade da luz, de cerca de 300.000 km por segundo.

Em potência máxima, 600 milhões de colisões por segundo gerarão o surgimento de partículas, algumas das quais nunca foram observadas.

Alguns dados

Alguns dados

O chamado Bóson de Higgs (partícula de Deus), é uma partículas que os físicos esperam encontrar nos experimentos realizados no LHC.

Ela é uma partícula elementar que dotaria outras partículas de uma massa. Sua ausência sacudiria a física teórica.

É a única partícula do modelo padrão que ainda não foi observada, mas representa a chave para explicar a origem da massa das outras partículas elementares.

Os detectores

Os quatro detectores espalhados pelo acelerador são: o ALICE, o CMS, o LHCb e o ATLAS.

Os detectores

ALICE (Experiência do Grande Colisor de Íons): sigla inglesa de A Large Ion Collider Experiment ;

O seu objetivo é descobrir o mistério da matéria quente e densa (plasma de quarks e gluons) que é brevemente criada quando há uma colisão de íons pesados à altas energias.

Os detectores

Os detectores

CMS (Solenoide de Múon Compacto): do inglês Compact Muon Solenoid

Explorar a física na faixa de TeV. Descobrir o Bóson de Higgs. Buscar evidências que comprovariam

uma física além do modelo padrão, como a supersimetria e as dimensões espaciais extras.

Estudar os aspectos das colisões de íons pesados.

Os detectores

Os detectores

LHCb sigla inglesa de Large Hadron Collider beauty" na qual "beauty“ refere-se ao quark bottom;

Tem como objetivo obter medidas precisas da violação da simetria CP e decaimentos raros de mésons com o quark bottom ou anti-bottom, um conjunto conhecidas por ' mésons b'.

Os detectores

Os detectores

ATLAS [sigla inglesa de A Toroidal LHC ApparatuS (Dispositivo Instrumental Toroidal para o LHC) ] é um detector de partículas semelhante ao CMS, mas de maiores dimensões e de concepção diferente.

Tem por finalidade detectar o bóson de Higgs e partículas supersimétricas (SUSY) que são preditas pela teoria mas ainda não foram detectadas experimentalmente.

Os detectores

Os detectores

Uma questão

Como os físicos descobrem e preveem a existência de novas partículas?

Uma questão

Resposta

Os físicos utilizam as leis de conservação do momentum linear e da conservação da energia total no estudo das colisões de partículas para prever e comprovar a existência das partículas elementares.

Conservação do momentum linear

Da segunda lei de Newton, sabemos que a resultantes das forças atuantes em um corpo é igual a variação temporal do momentum linear associado a este, ou seja,

Conservação do momentum linear

Quando a resultante das forças que agem sobre esse corpo for nula, o momentum linear associado ao corpo será conservado, em linguagem matemática

Isso significa dizer que o momentum linear final é igual ao momentum linear inicial, ou seja,

Conservação do momentum linear

Durante colisões, o momentum é conservado, isto é, o momentum total de uma sistema de objetos em colisão uns com os outros mantém-se inalterados antes, durante e depois da colisão.

Conservação do momentum linear

Numa colisão, podemos dizer que o momentum total antes da colisão é igual ao momentum total depois da colisão. Em linguagem matemática,

Conservação da energia

Outra lei fundamental que os físicos utilizam é a seguinte:

A energia de uma sistema não pode ser criada ou destruída; pode apenas ser transformada de uma forma para outra, com sua quantidade total permanecendo constante.

Conservação da energia

Para uma colisão onde a resultantes das forças é nula, a energia associada ao movimento dos corpos que colidem, chamada de energia cinética (T), antes e depois da colisão permanecerá constante, ou seja,

O que acontece no LHC ?

O que acontece no LHC ?

O que ocorre no LHC é o seguinte: dois prótons são acelerados, mediantes à diferenças de potenciais ao longo do anel, até atingirem uma velocidade de 0,99999c, sendo c a velocidade da luz (c = 3×108m/s).

O que acontece no LHC ?

Cada próton percorre o anel principal em sentido oposto ao outro, o que leva a uma colisão frontal não elástica, ou seja, essas partículas são ‘destruídas’, liberando, como produto da colisão, novas partículas e energia.

O que acontece no LHC?

O mais surpreendente é o fato de algumas dessas novas partículas produzidas possuírem massas muito, mas muito maiores que a massa dos prótons. Seria como colidir dois morangos e ter como resultado melancias, laranjas, maçãs e etc..

O que acontece no LHC ?

O que acontece no LHC ?

A imagem anterior mostra uma colisão no interior do detector ATLAS. Nela podemos ver, além dos feixes que representão os prótons, vários outros feixes percorrendo trajetórias diferentes. Cada feixe representa uma partícula ‘liberada’ após a colisão.Além disso, certa quantidade de energia é detectada pelos calorímetros espalhados pelo detector, na forma de calor.

O que acontece no LHC ?

Após a colisão, os físicos medem as velocidades das partículas produzidas na colisão e, através da conservação do momentum, determinam a massa dessas partículas. Essa medida é comparada com o valor teórico predito pela teoria.

O que acontece no LHC ?

No caso do bóson de Higgs, após a colisão, os físicos esperam encontrar a seguinte reação:

que sintetiza a imagem seguinte:

O que acontece no LHC ?

O que acontece no LHC ?

Perguntas?

Obrigado