Marta Maximo Pereira Centro Federal de Educao Tecnolgica Celso Suckow da Fonseca (CEFET/RJ), Unidade de Ensino Descentralizada de Nova Iguau Nova Iguau, RJ, Brasil E-mail: martamaximo@yahoo.com

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Este trabalho tem por objetivo explicar o que , para que serve e como funciona o LHC (Grande Colisor de Hdrons), assim como descrever os experimentos que a so realizados e o tipo de fsica se faz a partir desse colisor. O LHC situase no CERN (Organizao Europia para Pesquisa Nuclear), um dos maiores e mais respeitados centros de pesquisa do mundo em fsica na atualidade. Este artigo fruto de nossa participao na Escola de Professores no CERN em Lngua Portuguesa 2010, realizada com a participao de professores de Ensino Secundrio de Portugal, Cabo Verde, Moambique e So Tom e Prncipe e de professores brasileiros do Ensino Mdio. Pretendemos esclarecer questes de interesse sobre o LHC, a fim de auxiliar na formao de docentes em fsica contempornea e de possibilitar que, por meio deles, a fsica do sculo XXI chegue aos alunos de Ensino Mdio no s pelos meios de comunicao de massa, mas na forma de conhecimento cientificamente construdo em sociedade.

necessrios completa compreenso dos ma discusso presente de modo assuntos aqui tratados. Contudo, sempre bastante atual na rea de ensino que citarmos algum aspecto dessas teode fsica est relacionada imporrias, procuraremos informar, atravs de tncia da insero de temas mais atuais referncias bibliogrficas acessveis a prode fsica nas aulas dessa disciplina no Enfessores de Ensino Mdio, fontes complesino Mdio [1,2]. mentares de explicaes sobre o tema. Nesse sentido, sabemos que, em fsica, um dos maiores e mais importantes cenLHC: a fsica que d sentido sua tros de pesquisa da atualidade a Orgaconstruo e seus objetivos nizao Europia para Pesquisa Nuclear, Sabemos que as partculas que consconhecida como CERN, onde se encontra o LHC (Large Hadron Collider, em portutituem a matria e que so responsveis gus, Grande Colisor de Hadrns). Desse copor mediar as interaes fundamentais da natureza so to infilisor podem vir imPara estudar detalhes na escala nitamente pequenas portantes contribuide um bilho de vezes menor que impossvel es para a confirmaque o visvel, precisamos dar s o de teorias j observ-las com um partculas energias um bilho de existentes e/ou consmicroscpio, pois vezes maiores do que as suas dimenses so truo de outras no energias tpicas do mundo que diz respeito aos muito menores do macroscpico. Este constitui o conhecimentos necesque o comprimento princpio bsico de como um srios para a comde onda da luz visvel. acelerador pode ser usado para preenso tanto do Essa explicao foi medir o mundo subatmico mundo subatmico elaborada no incio do como da origem e forsculo XX, quando mao do Universo. descobriu-se que essas partculas em movimento podem se comportar como ondas Objetivos em determinados experimentos (dualidade onda-partcula, ver Ref. [4]) e que os comA partir dos cursos e visitas tcnicas que realizamos no CERN por conta de nosprimentos de onda dessas partculas torsa participao na Escola de Professores no nam-se menores com o aumento da energia. Isso significa que, para estudar CERN em Lngua Portuguesa 2010, explidetalhes na escala de um bilho de vezes caremos o que , para que serve e como menor que o visvel, precisamos dar s funciona o LHC, alm de descrevermos os experimentos que a so realizados e o tipo partculas energias um bilho de vezes de fsica que se faz a partir desse colisor. maiores do que as energias tpicas do Pensamos ser esta uma forma de fazer mundo macroscpico. Este constitui o princpio bsico de como um acelerador chegar aos professores de fsica do Ensino Mdio e, por intermdio deles, aos alunos, pode ser usado para medir o mundo subaum pouco mais de conhecimento sobre o tmico. Nessa escala de tamanho, ver principal centro de pesquisa do mundo em significa detectar um sinal, observar um fsica de partculas (ver Ref. [3]) na atuarastro luminoso, medir a energia. Assim, lidade. os aceleradores so usados para aumentar Devido extenso deste artigo, no a energia das partculas antes da coliso ser possvel realizar uma reviso de coe, desse modo, tornar os resultados visnhecimentos de fsica de partculas e do veis indiretamente usando detectores. modelo padro das partculas elementares, As partculas so aceleradas no LHC LHC: o que , para que serve e como funciona Fsica na Escola, v. 12, n. 1, 2011

com velocidades que correspondem a cerca de 99,9999991% da velocidade da luz no vcuo. Fenmenos que ocorrem nessa magnitude de velocidade so explicados pela relatividade especial de Einstein (ver Ref. [4]), segundo a qual tempo e espao no so absolutos, ou seja, a medida de cada uma dessas grandezas diferente quando realizada em dois referenciais distintos. Uma das implicaes desse fato o fenmeno da dilatao temporal: quando algo se move com velocidade prxima da luz, seu tempo parece passar mais devagar. Este efeito desprezvel em velocidades cotidianas, mas, para uma partcula viajando quase velocidade da luz, o tempo passa devagar o suficiente para que ela v muito mais longe do que era esperado e possa ser detectada. Os aceleradores impulsionam feixes de partculas a altas energias antes que eles colidam uns com os outros ou com alvos estacionrios. As partculas resultantes de um evento de coliso deixam um rastro e depositam energia em um detector. O estudo dessas colises o principal objetivo do LHC, que foi projetado para encontrar evidncias que permitam esclarecer as seguintes questes: a) A origem da massa das partculas elementares (ver bson de Higgs na Ref. [5]); b) A expanso acelerada do universo (ver energia escura na Ref. [6]); c) A discrepncia entre as medidas de massa de galxias, aglomerados de galxias e de todo o universo feitas com instrumentos e medies com base na massa da matria visvel que estes objetos contm (ver matria escura nas Refs. [5-6]); d) A existncia de supersimetrias (ver Ref. [7]). LHC: estrutura geral e funcionamento O LHC foi construdo no CERN com o objetivo de possibilitar que colises entre partculas aconteam a energias extremamente elevadas, nunca antes atingidas pelos colisores que at ento existiam. Ele se situa em um tnel circular de 27 km de circunferncia a cerca de 50 a 75 m abaixo do solo, na fronteira entre a Frana e a Sua. O LHC foi projetado especificamente para colidir dois feixes de prtons um contra o outro ou dois feixes de ons pesados um contra o outro. As colises prton-prton esto previstas para que aconteam em uma energia mxima de 7 TeV por feixe. Em 30 de maro de 2010 ocorreram as primeiras colises com energia igual a 3,5 TeV por feixe [8]. Tais feixes se movem dentro do anel do LHC guiados por ms, que geram Fsica na Escola, v. 12, n. 1, 2011

um campo magntico capaz de alterar a trajetria do feixe, encurvando-o e fazendo-o percorrer toda a circunferncia do anel. Esses ms so supercondutores baixa temperatura, assim como os cabos por onde circula a corrente, a qual flui praticamente sem nenhuma resistncia. Por isso, todo o anel do LHC refrigerado por um grande sistema de criogenia a uma temperatura prxima a 4,5 K [9]. Como a dissipao praticamente nula por conta da baixssima temperatura em que o LHC se encontra, os feixes so armazenados a altas energias por horas. Alguns bilhes de prtons, cada um deles com velocidade igual a 99,9999991% da velocidade da luz, percorrem o anel do LHC 11000 vezes por segundo, gerando um bilho de colises por segundo e recriando, em pequena escala, as condies de uma frao de segundo aps o big bang, a fim de que se possa compreender por

que o Universo como hoje se apresenta. LHC: aceleradores e principais experimentos Para acelerar as partculas antes da coliso, h no LHC aceleradores do tipo LINAC (Linear Particle Accelerator, em portugus, Acelerador de Partculas Linear), que, como seu nome indica, acelera as partculas de modo retilneo, e tambm o PS (P roton S ynchrotron, em portugus, P Sncroton de Prtons), que aumenta a velocidade de partculas subatmicas eletricamente carregadas ou ons de forma que descrevam uma trajetria circular ao serem aceleradas (veja as Figs. 1 e 2, respectivamente). Para investigar os objetivos de pesquisa do LHC, h atualmente quatro experincias principais em funcionamento, a saber: ATLAS, CMS, LHCb e ALICE. A seguir explicaremos em que consiste cada uma delas.

Figura 1 - Foto do LINAC 2 (Acelerador de Partculas Linear).

Figura 2 - Foto do PS (Sncroton de Prtons). LHC: o que , para que serve e como funciona

ALICE (A Large Ion Collider Experiment, em portugus, Experincia do Grande Colisor de ons) um detector construdo para o estudo da coliso entre ons pesados (veja a Fig. 3). Colises de ncleos de chumbo so estudadas com energia do centro de massa de 2,76 TeV por ncleo. Alm disso, pretende-se que sejam estudados tambm os hdrons, eltrons, mons e ftons [5] produzidos nas colises dos ons pesados. Espera-se que a temperatura resultante e a densidade de energia aps as colises sejam grandes o suficiente para gerar o plasma de quarks e glons, uma fase da matria em que quarks (partculas elementares que formam, por exemplo, os prtons e nutrons) e glons (partculas mediadoras da interao forte, ver Ref. [10]) esto confinados. A existncia dessa fase e suas propriedades so fundamentais para o desenvolvimento da cromodinmica quntica (QCD, sigla em ingls para Quantum CromoDynamics [5]), teoria que explica a interao forte (interao que mantm prtons e nutrons dentro do ncleo atmico [11]). ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS, em portugus, Aparato Toroidal do LHC) um detector onde feixes de prtons colidem com energia do centro de massa de at 7 TeV (veja a Fig. 4). Os objetivos do detector ATLAS so: procurar o bson de Higgs, partculas supersimtricas, dimenses extras e buracos negros; investigar por que a matria do Universo dominada por um tipo desconhecido de matria, a matria escura; redescobrir o quark

Figura 3 - Desenho esquemtico do ALICE (em escala). top e pela primeira vez estud-lo com preciso; realizar medidas mais precisas para completar o modelo padro, como as da massa e do tamanho do bson W (uma das partculas mediadoras da interao fraca, ver Ref. [10]). CMS (Compact Muon Solenoid, em portugus, Solenide Compacto de Mons) um detector de mons que permite tambm deteces de ftons, eltrons e hdrons e, pelas suas pequenas dimenses em comparao com o seu peso (da o nome compacto), a identificao de neutrinos [5]. O solenide do CMS uma bobina de fio supercondutor que cria um campo magntico cerca de 100.000 vezes maior que o da Terra. O detector do CMS atua como um grande filtro em forma de cebola cilndrica (veja a Fig. 5), pois constitudo de distintas camadas, cada uma projetada para parar e detectar os diferentes tipos de partculas mencionados acima, que podem emergir das colises prton-prton e entre ons pesados. CMS foi projetado para medir propriedades de partculas previamente conhecidas com uma preciso sem precedentes e tambm est procura de fenmenos completamente novos e imprevisveis. LHCb (Large Hadron Collider beauty), onde beauty se refere ao quark bottom (quark b), um experimento desenvolvido para medidas precisas da violao de simetria CP (simetria de carga e paridade, ver Ref. [5]) e para o estudo de decaimentos raros de msons com os quarks b

Figura 4 - Desenho esquemtico do ATLAS (em escala). LHC: o que , para que serve e como funciona Fsica na Escola, v. 12, n. 1, 2011

e anti-b, um conjunto conhecido por mson b [10]. Esse detector foi especificamente projetado (veja Fig. 6) para recolher estas partculas e o produto do seu decaimento. Ele estende-se por 20 m ao longo do tubo do LHC, com os seus subdetectores dispostos um ao lado do outro, diferentemente do CMS. Cada um dos sub-detectores do LHCb especializado na medio de uma caracterstica diferente das partculas produzidas

pela coliso de prtons. Coletivamente, os componentes do detector so capazes de reunir informaes sobre a identidade, a trajetria, o momento e a energia de cada partcula gerada e podem tambm identificar partculas individualmente entre as bilhes que emergem a partir do ponto de coliso [12]. Essa deteco pode ser feita considerando-se o fenmeno da dilatao temporal, consequncia da relatividade especial de Einstein, confor-

Figura 7 - Detectores e aceleradores ao longo do anel do LHC. Na imagem, p e Pb indicam os LINACs 2 e 3, respectivamente. me explicado anteriormente neste trabalho. Esse efeito permite detectar o quark b, que se deteriora aps apenas um picossegundo (um trilionsimo de segundo). A baixas velocidades, ele decai rapidamente e no viaja o bastante ao longo do detector para que possa ser observado. No entanto, quando acelerada at perto da velocidade da luz, a partcula percorre alguns milmetros extras, o suficiente para que o detector seja capaz de detect-la. Na Fig. 7, podemos observar a localizao dos detectores e aceleradores ao longo do LHC. Concluses Os conhecimentos difundidos neste artigo sobre a estrutura e o funcionamento do LHC visam ajudar professores de Ensino Mdio a terem contato com questes relativas fsica contempornea de forma mais acessvel e prxima a sua realidade. Recomendamos fortemente que as referncias de aprofundamento sugeridas sejam acessadas para uma maior compreenso dos temas aqui mencionados. Esperamos que este intrigante mundo da fsica de partculas seja apresentado pelo professor tambm aos estudantes de Ensino Mdio, despertando neles o gosto e o interesse pela cincia. Agradecimentos Agradecemos Secretaria para Assuntos de Ensino da SBF (Sociedade Brasileira de Fsica), ao CBPF (Centro Brasileiro de Pesquisas Fsicas), ao Departamento de Educao Bsica da CAPES (Coordenao de Aperfeioamento de Pessoal de Nvel Superior) e ao Departamento de Popularizao e Difuso da Cincia e Tecnologia do MCT (Ministrio de Cincia e Tecnologia), sem os quais nossa ida ao CERN e, consequentemente, a escrita deste artigo, no teria sido possvel.

Figura 5 - Desenho esquemtico do CMS (em escala).

Figura 6 - Desenho esquemtico do LHC-b (em escala). Fsica na Escola, v. 12, n. 1, 2011 LHC: o que , para que serve e como funciona

Referncias[1] M.D. Borges, F. Ostermann e M.A. Moreira, in: Anais do XV Simpsio Nacional de Ensino de Fsica (Curitiba, 2003). [2] M.A. Monteiro e R. Nardi, in: Anais do VI Encontro Nacional de Pesquisa em Educao em Cincias (Belo Horizonte, 2007). [3] M.C.B. Abdalla, Fsica na Escola 6(1), 38 (2005). [4] M. Nussenzveig, Curso de Fsica Bsica: tica Relatividade Fsica Quntica (Edgard Blcher, So Paulo,1998). [5] M.A. Moreira, Revista Brasileira de Ensino de Fsica 31, 10 (2009). [6] R. Rosenfeld, Fsica na Escola 6(1), 31 (2005). [7] J. A. Helayl-Neto, Fsica na Escola 6(1), 45 (2005).

[8] http://lhc-machine-outreach.web.cern. ch/ lhc-machine-outreach/, acesso em 2/10/ 2010. [9] http://lhc-machine-outreach.web.cern. ch/ lhc-machineoutreach/components /lhcmanufacturing.htm, acesso em 2/10/ 2010. [10] M.A. Moreira, Revista Brasileira de Ensino de Fsica 29, 161 (2007). [11] M.A. Moreira, Fsica na Escola 5(2), 10 (2004). [12] http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/en/Detector/Detector-en.html, acesso em 2/10/2010.

ATLAS: http://atlas.ch/ ALICE: http://aliceinfo.cern.ch/Collaboration/index.html CMS: http://cms.web.cern.ch/cms/index. html LHC-b: http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb/ Os desenhos esquemticos dos experimentos que deste artigo foram extrados de http://indico.cer n.ch/getFile.py/ access?contribId=12&resId=0& materialId=slides& confId=105483, com traduo da autora.

Trabalhos relacionadosE. Gama e M.F. Barroso, Fsica na Escola 10(2), 32 (2009). M. Maximo Pereira, in: Anais do XIX Simpsio Nacional de Ensino de Fsica (Manaus, 2011).

Saiba maisPara maiores informaes sobre os experimentos do LHC, acesse as pginas (em ingls) de cada experimento:

LHC: o que , para que serve e como funciona

Fsica na Escola, v. 12, n. 1, 2011