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Um anel subterrâneo de 27 km, na fronteira entre França e Suíça, acelera prótons quase à velocidade da luz para investigar o nascimento do Universo. No CERN, o Grande Colisor de Hádrons (LHC) confirmou o bóson de Higgs e agora procura sinais de matéria escura e nova física
Sob os campos verdes na fronteira franco-suíça funciona uma máquina de 27 quilômetros que tenta recriar os primeiros instantes do Universo. É o Grande Colisor de Hádrons (LHC), instalado no laboratório europeu CERN, hoje o maior acelerador de partículas do mundo.
O LHC é uma espécie de pista de corrida subatômica, onde partículas recebem pequenos empurrões sucessivos até atingir energias extremas. Atualmente, o acelerador opera com energias da ordem de 6,5 a 6,8 TeV por feixe, produzindo colisões de até 13,6 TeV.
Quando dois feixes se chocam de frente, a energia do impacto se transforma em novas partículas, como prevê a famosa equação E=mc². Por frações inimagináveis de segundo, o LHC recria condições parecidas com as do Universo logo após o Big Bang.
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O projeto envolve mais de 10 mil cientistas e engenheiros de dezenas de países, incluindo grupos do Brasil em todos os grandes experimentos do LHC. Essas equipes analisam dados, constroem detectores e operam centros de computação que ligam o país à fronteira da física de partículas.
LHC é um anel de 27 km que recria os primeiros instantes do Big Bang
O Grande Colisor de Hádrons ocupa um túnel circular de 27 quilômetros, enterrado até 175 metros sob a região de Genebra. Ao longo do anel, 1.232 ímãs dipolos e centenas de quadrupolos supercondutores mantêm os feixes de prótons guiados e focados.
Os prótons começam como hidrogênio comum, passam por aceleradores menores e chegam ao LHC já em alta energia e bem organizados em pacotes. Cavidades de radiofrequência dão pequenos impulsos elétricos a cada volta, até que as partículas viajem a poucos metros por segundo abaixo da velocidade da luz.
Em quatro pontos do anel, os feixes são cruzados dentro de detectores gigantes como ATLAS e CMS, alguns maiores que prédios de vários andares. Milhões de sensores registram a passagem das partículas e, a partir desses rastros, softwares reconstroem cada colisão como se fosse um quebra-cabeça em 3D.
Da teoria do campo de Higgs à descoberta da “partícula de Deus”
O bóson de Higgs é a partícula associada a um campo quântico invisível que permeia todo o espaço e dá massa a muitas partículas fundamentais. Sem o chamado campo de Higgs, elétrons, quarks e outras partículas se comportariam como se não tivessem massa, o que não bate com a realidade que observamos.
A ideia do campo de Higgs foi proposta em 1964, mas por quase 50 anos o bóson permaneceu apenas como uma previsão teórica. Produzi-lo exigia colisões muito energéticas e em grande quantidade, algo que o LHC finalmente tornou possível com suas energias e taxas de eventos sem precedentes.
Em 4 de julho de 2012, as colaborações ATLAS e CMS anunciaram a observação de uma nova partícula com cerca de 125 GeV, consistente com o bóson de Higgs, com significância de 5 sigma. A descoberta, celebrada no mundo inteiro e que levou ao Nobel de 2013, fechou uma peça central do Modelo Padrão, mas também abriu novas perguntas sobre o cosmos.
Engenharia extrema: frio maior que o do espaço e dados em escala planetária
Para que os ímãs funcionem como supercondutores, o LHC opera a cerca de 1,9 kelvin, algo como 271 graus Celsius negativos, mais frio que o espaço. Essa temperatura extrema é mantida por um sistema criogênico que usa cerca de 120 toneladas de hélio líquido circulando em milhares de conexões.
Os principais ímãs produzem campos de até 8,3 tesla, guiando os feixes com correntes de quase 12 mil ampères em cabos de nióbio-titânio. Se algo sai errado e o material perde a supercondutividade, ocorre um quench, obrigando a desligar e resfriar novamente parte do anel.
Manter tudo isso ligado consome por volta de 120 megawatts, algo comparável a uma fração relevante do consumo da região de Genebra. Boa parte dessa energia alimenta justamente a criogenia, que transforma o LHC em um dos maiores criostatos já construídos.
Cada dia de operação gera centenas de terabytes de dados, que não caberiam em um único centro de computação. Por isso nasceu a Worldwide LHC Computing Grid, rede global que conecta dezenas de países, inclusive o Brasil, para processar em conjunto os eventos mais interessantes.
No país, centros como o SPRACE, em São Paulo, analisam dados do experimento CMS e participam do desenvolvimento de eletrônica e software para os detectores. Esse esforço forma pessoal especializado e gera tecnologia que depois aparece em áreas como imagem médica, telecomunicações e sistemas de grandes dados.
Do LHC de alta luminosidade aos futuros coliders e à matéria escura
O próximo passo do projeto é o LHC de alta luminosidade (HL-LHC), upgrade que deve multiplicar por até 10 o número de colisões registradas. Segundo o cronograma mais recente, a nova fase deve começar por volta de 2030, após uma parada técnica prolongada a partir de 2026.
Com muito mais dados, os físicos querem estudar o Higgs em detalhe e procurar sinais de matéria escura, investigando, por exemplo, decaimentos invisíveis do bóson. Resultados recentes de ATLAS e CMS já limitam a probabilidade de o Higgs decair em partículas invisíveis a algo em torno de 15%, o que descarta vários modelos teóricos.
Para depois de 2040, discute-se a construção do Future Circular Collider (FCC), um anel de até 100 quilômetros que funcionaria como nova fábrica de Higgs e colisor ainda mais energético. Documentos recentes mostram que a comunidade brasileira já se organiza para participar desses projetos, reforçando a presença do país na próxima geração de coliders.
Na sua opinião, o LHC e futuros coliders trazem retorno suficiente em conhecimento, tecnologia e formação de pessoas para justificar esse esforço global, ou a caça à chamada “partícula de Deus” é um luxo científico? Conte nos comentários o que você pensa sobre essa disputa entre curiosidade cósmica e necessidades urgentes aqui na Terra.
Investigação científica é para o bem da humanidade, se houvesse menos investimento em guerras e ganância a humanidade resolveria seus problemas em pouco tempo.
A ciência é o universo, partindo do principal, a matéria é limitada e se fragmenta, como somos matéria tudo ao nosso redor é também limitado, por isso nunca vamos conhecer o desconhecido infinito a partir da matéria, podemos chamar de mundo espiritual esse argumento está na base espiritual, um mundo invisível inteligente, é impressionante a imaginação humana.😱