Ilustração de um dos mais limpos candidatos para o decaimento Bs → μμ , como reconstruída no vértice localizador da experiência LHCb O comprimento de decaimento Bs é de 30 mm.
Eram 6 da manhã do dia 17 de Dezembro de 2012, e os operadores cessavam o funcionamento do LHC. O Grande Colisionador de Hadrões (os hadrões são partículas constituídas por quarks) funcionara durante três anos naquela que foi a primeira série trianual para a física de protões com um novo marco a culminar o seu fantástico desempenho. Nos dias precedentes, o espaço entre os feixes de protões foi reduzido com sucesso para a especificação conceptual de 25 ns, em vez dos 50 ns* usados até então.
Nota*: ns são nano-segundos (10−9 segundos ou 1/1,000,000,000 segundos).
Reduzir para metade o espaçamento do feixe permitiu duplicar o número de cachos para a máquina, resultando num número recorde de 2.748 cachos em cada feixe; anteriormente o LHC tinha sido executado com cerca de 1.380 destas porções por feixe. Isso resultou, em ambos os feixes, numa intensidade de feixe recorde de 2,7 × 10^14 protões à injecção de energia de 450 GeV.
A equipa de operações LHC realizou então um número de rampas ascendentes de feixes a 25ns, que levaram os feixes desde 450 GeV até 4 TeV (de Gigas para Teras electrão-Volts), e aumentou o número total de cachos em cada passo até um máximo de 804 por feixe. A abordagem gradual é necessária para monitorar os efeitos da nuvem de electrões adicionais produzida quando a sincrotrão-radiação emitida pelos protões atinge a câmara de vácuo – já que esta sincrotrão-radiação de fluxo de fotões aumenta significativamente à medida que a energia dos protões é maior.
A nuvem de electrões é fortemente aumentada pelo espaçamento reduzido entre os cachos e é uma das principais limitações para a operação 25 ns. Ela tem efeitos negativos sobre o feixe (tamanho de feixe crescente e percas), na criogenia (na carga de calor no tubo de feixe) e no vácuo (aumento da pressão). Como resultado, um período de feixe de tubo-condicionamento conhecido como “lavagem de esfrega” torna-se necessário antes das sessões de rampas de aumento dos feixes. Durante este período, a máquina foi operada dum modo controlado, com feixes de intensidade cada vez maior. Isso ajuda a melhorar as características da superfície do tubo de feixe e reduz a densidade da nuvem de electrões. Uma vez cada feixe aumentado até 4 TeV, executou-se um teste piloto de várias horas e até 396 cachos, espaçados de 25 ns, em cada feixe.
Embora os testes fossem bem-sucedidos, é preciso aplicar muitíssimo mais esta lavagem de esfrega antes do feixe a 25ns completo poder ser considerado operacional.
Enquanto decorriam estes testes, a 13 de Dezembro os representantes do LHC e de cinco das suas experiências submeteram um relatório do conjunto de actividades para o Conselho do CERN. Todas as colaborações congratularam a equipa do LHC pelo desempenho exemplar da máquina ao longo dos primeiros três anos completos de execução. Em 2012, não apenas se registou um aumento da energia de colisão de 7 TeV para 8 TeV, mas também a luminosidade instantânea atingiu 7,7 × 10^33 cm^-2 s^-1, mais do que o dobro do valor máximo obtido em 2011 (3,5 × 10^33 centímetros^-2 s^-1). As notícias das experiências incluíram a medição pelo LHCb de decaimento do mesão Bs em dois muões (Bs → μμ observado depois de ter sido procurado durante dezenas de anos), os estudos detalhados da ALICE do plasma de quarks-gluões e as observações da TOTEM sobre a estrutura do protão.
A ATLAS e a CMS procederam às actualizações sobre a partícula de Higgs, anunciada pela primeira vez em Julho, com cada experiência agora observando a nova partícula com um significado estatístico próximo dos 7σ, bem superiores aos 5σ necessários para uma descoberta (σ = sigma). Até agora, as propriedades da partícula parecem consistentes com as do bosão de Higgs do modelo padrão. As duas colaborações tiveram, no entanto, o cuidado de dizer que a análise posterior dos dados – e uma combinação provável dos dados de ambas as experiências no próximo ano – serão necessárias antes de algumas propriedades fundamentais da nova partícula, como o seu spin, poderem ser determinadas de forma concludente. O foco da análise já mudou, desde a descoberta, para a medição da nova partícula nos excessos detectados nos seus canais de decaimento individuais.
Com Dezembro de 2012 a assinalar o fim do primeiro período dedicado à Física dos protões do LHC, 2013 vê uma corrida de quatro semanas a partir de meados de Janeiro até meados de Fevereiro para colisões protões-chumbo, antes de encetar uma longa paragem, para consolidação e manutenção até o final de 2014. As Operações serão retomadas em 2015, com um aumento de energia das colisões para 13 TeV.
*** Fim da Operação para 2012*** Voltamos a vermo-nos durante alguns dias para protão-chumbo em 2013. A Física de altas energias protão-protão será retomada em 2015. Até logo e obrigado pelos peixes todos!
Podem consultar a carta de correio original aqui.
6 comentários
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Caro Luís Gonzaga, já lhe enviei hoje dia 20 de Fevereiro um e-mail às 12h25 mn, queira por favor verificar.
Obrigado.
Caro Luís Gonzaga, muito obrigado por tão amável convite, que terei todo o prazer em aceitar, confessando-me um adepto incondicional da famosa lampreia do Minho. 🙂
Para combinar-mos as datas e os detalhes da deslocação, eu vou contactá-lo para o seu e-mail afim de podermos ultimar os preparativos.
Queira desculpar só agora lhe responder ao seu muito amável convite.
Muito Obrigado
Manel Rosa Martins
Muito bom dia meu caro migo Manel Rosa Martins.
Acredite que é com bastante embaraço que me dirijo ao meu amigo, tendo em conta o convite que lhe enderecei na comunicação antecedente, datada de 16 do corrente mês, que tem origem numa delegação acontecida pelo Presidente da Direção, da Associação de Astronomia de Viana do Castelo “Polaris”, Dr. João Sintra Coelho, na reunião dos órgãos sociais realizada na véspera, delegação essa, efetuada à minha pessoa, pela simples e única razão de ter com o meu amigo um relação “privilegiada” na troca de correspondência. de minha iniciativa, com o único objetivo de satisfazer a minha curiosidade na área da física de partículas de que sou apaixonado e de que o meu amigo é mestre, conseguindo com a sua gentileza às carradas, acrescentar a este curioso muito saber. Por consenso na reunião dos órgãos sociais, por minha sugestão, deram-me total liberdade de convidar o meu amigo. para uma conferência ou palestra, tendo em vista a satisfação de um desejo antigo de nos esclarecer sobre a Teoria de relatividade restrita e geral, da responsabilidade de Albert Einstein, ou em alternativa uma palestra sobre energias que no meu ponto de vista,está na linha das prioridades e maiores preocupações da Humanidade, encontro esse a efetuar num dia à sua escolha de preferência numa sexta-feira, pelas 21,30 horas, para curiosidade dos 32 associados da Associação e do público em geral convocado com publicidade adequada, no Auditório do Instituto Politécnico da cidade de Viana do Castelo. Solicitava também ao meu amigo a indicação de um número de telefone ou telemóvel, que seria fornecido por mim ao Presidente da Direção, para combinação normal da deslocação, eventual estadia, jantar e outros pormenores. Como o meu amigo tem sido sempre célere no correio eletrónico nas resposta às minhas perguntas, compreenderá esta insistência. Estará doente? Não teve a oportunidade absolutamente normal, de visualizar o correio eletrónico? Ou em última instância teria sido eu incorreto para o meu amigo, ao pisar a fronteira do foro privado, neste espaço público? Se fui peço antecipadamente desculpa, ao meu amigo, pela atitude que pode ser vista sob qualquer ângulo, como praticada involuntariamente. Com toda a estima consideração um abraço.
Luís Gonzaga.
Muito bom dia meu caro amigo Manel Rosa Martins.
Em primeiro lugar venho agradecer o excelente esclarecimento que me deu sobre as minhas interrogações e reflexões de acontecimentos ocorridos no acelerador de partículas, cuja atividade foi interrompida até ao ano de 2015, com promessas de novas descobertas com a introdução de mais capacidade energética, segundo entendi. Ontem à noite como membro da mesa da Assembleia Geral, da Associação de Astronomia de Viana do Castelo “Polaris”, fundada e nascida há três anos, atualmente com 32 associados, para além de outras atividades, tem tido o mérito de convidar quatro personalidades, por ano, ligadas à astronomia, astrofísica, cosmologia e física de partículas, entre outras, com bastante sucesso, no auditório do Instituo Politécnico da cidade de Viana do Castelo. Durante a reunião falei do meu amigo sobre a entrevista que deu na RTP1, sobre o bosão de Higgs e da troca de correspondência. É manifesta a curiosidade e desejo antigo, de convidar uma personalidade para falar sobre os fenómenos da relatividade restrita e geral, ou sobre energias, tendo-me dado a liberdade de convidar o meu amigo a deslocar-se a esta cidade, numa data à sua escolha de preferência a uma sexta-feira. Caso o meu amigo tenha disponibilidade, solicitava a indicação de um contacto telefónico, a fornecer ao Presidente da Direção desta Associação, Dr João Sintra Coelho, para estabelecimento das condições referentes à eventual deslocação, continuando a renovar o convite, caso decida pela positiva, para um almoço na minha casa em Santa Marta de Portuzelo. Com os meus respeitosos cumprimentos e um abraço.
Luís Gonzaga.
Caro Luís Gonzaga, muito obrigado pelo seu comentário epleo simpático convite do senhor e da sua família, com certeza se voltar um dia ao Norte e às margens do Rio Lima darei conta para provar a maravilhosa lampreia 🙂
Vamos às perguntas, os protões exigem uma injecção de energia tão elevada para atingirem quase a velocidade da luz e isso, de facto torna-os objectos relativistas, ou seja tem que se usar a famosa equação E=mc^2 nos detectores para calcular a velocidade atingida a massa que adquirem e o limite a partir do qual mais energia apenas significa mais massa, e logo menos velocidade.
O Rácio da densidade total presente (do Universo observado por nós hoje) versus a densidade crítica como uma função do factor de escala geométrica do Universo – que se denota por R (t), advém da equação geral “simples” que se expressa assim: distorção do espaço tempo= constante x distribuição de energia. Para simplificar adiante vou-lhe chamar factor K.
O que quer isto dizer, e como relacionar estas contas com o Bosão de Higgs?
Sem entrar em equações complexas estamos a exprimir a História do Universo desde os primórdios até como o observamos nos nossos dias (apesar de estarmos a olhar para o passado quando olhamos as estrelas.)
E vamos aqui aprofundar um pouco.
Energia, como deve ter notado, é aqui o conceito chave. No rescaldo do Big Bang o universo arrefeceu, e isso permitiu a libertação dos fotões e a formação dos átomos.
Antes, logo a seguir ao Big Bang (~300 mil anos) a energia dominava tudo sob a forma de radiação, e hoje essa mesma energia está contida muito mais nos átomos do que soba forma de radiação.
Em palavras simples, existe muito mais fio eléctrico e tomadas do que faíscas quando há um curto-circuito. Ou o exemplo menos feliz (más notícias da Coreia do Norte, esta semana) duma eexplosão nuclear, que liberta parte muito pequena da energia contida na matéria.
Assim, um universo dominado pela radiação tem uma forma geométrica (fechado em si mesmo, acabaria num big crunch, ou neutral, equilibrado entre radiação e matéria, seria achatado como uma mesa de bilhar, ou ainda será ligeiramente curvo e dominado pela energia contida dentro da matéria, aqui há debate mas os 2 permitem uma expansão acelerante do Universo).
Em detalhe será a dot/a = 8Pi/3 G p – K/a^2
É uma das soluções da equação de Alexandre Friedmann, no caso com sinal menos antes do factor K exprime um universo em expansão. o chamado Universo real.
Atente que a densidade crítica é fictícia, e muito resumidamente é como se aplicássemos uma grelha em cima de grãos de areia, de partículas, e contássemos o total da suas massas, mas num objecto fictício que fica a ocupar o centro desse quadrado da grelha, como se fosse um ponto central, uma super-estrela que exerce a sua influência gravitacional e de radiação aos objectos nos limites desse quadrado, ou para o quadrado seguinte.
O tamanho do lado desse quadrado é que é um grande debate, e vai desde 100 megaparsecs (os tais cerca de 300 mil anos-luz) ou até 300 milhões de anos-luz.
É como uma régua que não sabemos bem se a graduamos em centímetros ou em quilômetros de metro, e é esse o factor K (mas com cautelas aqui, estou a resumir muito para simplificar).
A pergunta aqui é, em que escala, 300 mil anos luz ou 300 milhões de anos luz é o Universo actual homógeno e isotrópico (muito parecido ao longo dos muitos quadrados da grelha, como uma colcha que segue um padrão estético).
Então estas partículas em colisão comportam-se como peças de átomos acabados de se formar, como se fosse ali em redor dos 300 mil anos de idade do Universo. Mas a forma de energia predominante passa de partículas para radiação, há mais radiação do que energia sob a forma de partículas numa colisão, até como vê neste post há como que uma radiação “poluente,” que se limpa com uma bela esfregadela para não interferir nas medições dos detectores. Aqui o factor K tende para a radiação e teme que ser denotado com +K. (+K mais energia radiante, -K mais energia sob a forma de matéria).
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Uma coisa agora são as colisões protão-protão no LHC e outra são as colisões do Mesão (Bs)que decai num muão e num anti-muão, como se denota na ilustração Bs → μμ .
O prot~´ao corresponde à matéria normal e é constituído por um trio, di-se um tripleto, de quarks(up e down quarks). O mesão é constituído por um par de quarks, um quark pesado (estamos em altas energias) e a sua anti-partícula.
De novo estamos a recuar no tempo, na idade do Universo, estes mesões serão, quando eram muito pesados e energéticos, os responsáveis pela força nuclear (que são 3 forças, a forte, a nuclear e a de cor). Enqaunto os protões estarão mais responsabilizados pela força electro-magnética.
O que nos diz o quadro geral? Que em tempos primórdioss todas as forças seriam só uma, e, espanto dos espantos, que todas as partículas seriam iguais. Seria um Universo simétrico com partículas simétricas, iguais em todas as propriedades físicas. Os electrões seriam iguais aos quarks, imagine-se.
Como no Universo real observado hoje isso não se passa, dizemos que há uma quebra de simetria, e que esse mecanismo gera a energia radiante, digamos que liberta a energia hoje contida essencialmente na matéria.
E agora o bosão de Higgs, onde aprece ele aqui no meio?
Pois exactamente no meio, o bosão de Higgs não é matéria nem é energia, é uma entidade que desequilibra a simetria ao definir o campo-higgs, ao permear toda a geometria do Universo e ao desiquilbrar as partículas com carga eléctrica atribui-lhes massa, como que as obriga a conservar a energia.
Vamos resumir isto tudo na implicação principal da Teoria Geral da Relatividade de Einstein:
O espaço-tempo, a usa geometria, é definida pela Gravidade (que actua pela massa), mas a Gravidade tem que se comportar de acordo com o desenho geométrico do espaço-tempo.
Aqui, tal como na quebra de simetria há como que uma luta de influências.
Um exemplo muito prático de quebra de simetria: a luz do sol parece branca, pois ao atravessar o espaço vem simétrica, todos os fotões vem sensivelmente no mesmo comprimento de onda, misturam-se, e o branco é a mistura de todas as cores.
Mas se a mesma luz atravessar o vidro dum prisma, há uma quebra da simetria dos comprimentos de onda, e a luz é dispersa por refracção no vidro e vimos as cores do espectro electromagnético na luz visível, vemos o arco-íris.
É isto que o bosão de Higgs, desequilibra as regras do jogo.
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Na físca dos plasmas e das altas energias as temperatura de milhões de graus Celsius atingidas não derretem os materiais por estarme confinadas num vácuo, e por estarem como que suspensas por um campo magnético, para não tocarem nas paredes dos aceleradores. Mesmo assim há vários protocolos de segurança, no entanto quanto mais elevada é a injecção de energia dos feixes, paradoxalmente, mais estável, logo mais seguro, é o sistema.
Cumprimentos e Obrigado 🙂
É sempre uma mais-valia, ler e ouvir o meu amigo, nesta área da física de partículas e não só. Quando tiver algum tempo disponível e paciência para me aturar, o meu amigo é capaz e disso não tenho dúvidas, de me explicar duas questões, produto de reflexões efetuadas por um leigo?
1ª.- Quando no decorrer do ano findo os feixes dos protões, compostos, salvo o erro, por mim milhões daquelas partículas, na sua viagem louca pelo perímetro do acelerador, ao colidir com outro feixe em sentido contrário, quase à velocidade da luz, com a energia calculada de sete triliões-volt, por cada feixe, segundo entendi, com o objetivo de vislumbrar o bosão de Higgs, hoje mais consolidado, como informou neste seu trabalho ao atingir os 7 sigma, aquelas partículas atómicas a 99,999 da velocidade da luz, atingiram ou acrescentaram à sua massa o fator 224, conforme li no livro “O Universo Elegante” de Brian Greene, em relação ao comportamento do muão, nas mesmas circunstâncias ?
2ª. Como leigo, coloco com muita insistência, na minha cabeça, como é que naquela colisão foi atingida a temperatura mais de 100 000 vezes a temperatura do sol e um centímetro cúbico daquele material,produto da colisão pesa cerca de 40 biliões de toneladas e aquela estrutura não derrete ou quebra ou se desfaz, mesmo tendo em conta o seu reduzido peso?
De vez em quando e aos domingos, no almoço familiar, com os meus dois filhos Sara e Cesário, e minhas três netas, falo das capacidades do meu amigo e da gentileza das sua respostas. A dada altura, o meu filho, acrescentou. Oh papá por que é que não convidas esse teu amigo a vir cá comer uma ou duas lampreias, pescadas cá no nosso Rio Lima, e cozinhadas pela mamã, excelente cozinheira? Fica aqui o convite. Um abraço e muito obrigado.
Luís Gonzaga.