O Grande Colisor de Hadrões (LHC), situado no CERN, emerge como o maior instrumento científico alguma vez construído, dedicado à recriação de colisões de alta energia com o objetivo primordial de identificar novas partículas elementares, como o intrigante bosão de Higgs.
Este complexo, um túnel circular com 27 quilómetros de extensão, representa um marco da engenharia. A sua principal função é desvendar a estrutura das partículas constituintes do universo. O LHC funciona como um circuito de corridas subatómico, acelerando partículas carregadas, nomeadamente protões, a velocidades próximas da velocidade da luz. Este processo é alcançado através de campos eletromagnéticos, que utilizam frequências de rádio para impulsionar gradualmente a energia das partículas.
Após atingirem a velocidade máxima, as partículas são direcionadas para colidirem frontalmente, permitindo que a energia dos feixes se combine. Apesar da energia de um único protão ser diminuta em termos quotidianos – comparável à de um alfinete a cair dois centímetros – encontra-se concentrada numa escala infinitesimal.
Esta concentração extrema de energia possibilita a recriação das condições existentes no universo numa fração de segundo após o Big Bang. A famosa equação de Einstein, E=mc², ilustra como a energia da colisão se transforma instantaneamente em matéria, resultando na criação de novas partículas.
Ao analisar estas colisões, os cientistas conseguem observar partículas massivas que existem por um breve instante, como o bosão de Higgs e o quark top. Estas descobertas contribuem para uma compreensão mais profunda da matéria e da origem do cosmos.
O bosão de Higgs, frequentemente apelidado de “partícula de Deus”, é um elemento fundamental do Modelo Padrão da física de partículas. A sua existência foi confirmada no CERN pelas colaborações ATLAS e CMS em 2012, solidificando a base experimental da teoria eletrofraca. Esta partícula é, na realidade, uma onda num campo quântico invisível que permeia o universo, o campo de Higgs. As partículas elementares adquirem massa ao interagirem com este campo.
A deteção do bosão de Higgs é um desafio complexo, comparável à procura de uma agulha num palheiro cósmico. Apenas uma em cada mil milhões de colisões no LHC produz esta partícula, cujo tempo de vida é tão curto que se desintegra quase instantaneamente noutras partículas mais leves.
Dado que a observação direta do bosão de Higgs é impossível, os cientistas medem com precisão os produtos da sua desintegração. Através da análise estatística de vastos conjuntos de dados, procuram um “pico” nos histogramas de massa invariante, o que indica indiretamente a sua existência, com um nível de certeza denominado “cinco sigma”.
Para manter os protões a circular à velocidade da luz num circuito de 27 quilómetros, são necessários campos magnéticos extremamente potentes. Ímanes supercondutores, arrefecidos com sistemas criogénicos, concentram os feixes e desviam a sua trajetória com precisão.
A engenharia é um aspeto crucial do CERN, com mais engenheiros e técnicos do que físicos de investigação. Estes profissionais são responsáveis pelo desenvolvimento e construção destas máquinas complexas, que exigem precisão em milhões de componentes.
A velocidade alcançada pelos protões confere-lhes uma energia de 6,5 tera-eletrão-volts (TeV) cada, gerando colisões de 13 TeV. Embora esta quantidade de energia seja diminuta à escala humana, quando concentrada num ponto subatómico, atinge densidades comparáveis às do início do universo.
O principal objetivo da física no CERN é responder às questões que o Modelo Padrão não resolve. Os cientistas procuram novas partículas e fenómenos que expliquem os 95% da massa e da energia do universo que permanecem desconhecidos, sob a forma de matéria e energia escuras. Entre os mistérios pendentes encontram-se a natureza da matéria negra e a razão pela qual a força da gravidade é tão fraca em comparação com as outras forças fundamentais.
Uma das investigações mais promissoras é a observação da desintegração do bosão de Higgs em partículas “invisíveis”, que não interagem com as forças eletromagnética, forte ou fraca. Este fenómeno poderá representar a primeira evidência direta da existência de partículas de matéria negra.
O LHC de alta luminosidade e futuros aceleradores estão planeados para depois de 2040, visando alargar a fronteira do conhecimento.
Fonte: www.tempo.pt