Bosón de Higgs

Senhoras e senhores, apresento-lhes o bosón de Higgs! Comumente chamando de “partícula de Deus“, este corpo subatômico é essencial na explicação da origem da matéria. O bosón de Higgs era a única das 32 partículas fundamentais do Universo (prótons, nêutrons e elétrons, entre outras) previstas pelo Modelo Padrão da Física, formulado em 1964, que ainda não havia sido detectada, embora teoricamente seja responsável por dotar de massa todas as outras partículas.

Pois bem, a busca chegou ao fim. Cientistas do Centro Europeu de Pesquisas Nucleares (CERN, sigla em frnacês de Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) apresentaram nesta quarta-feira seus últimos resultados, que indicam a descoberta de uma nova partícula subatômica compatível com as previsões teóricas do bosón de Higgs.

Para entender como os mais de 2 mil cientistas chegaram a essa conclução, vamos as explicações. Pela Teoria da Relatividade de Einstein e sua famosa equação E=Mc2, energia e matéria são intercambiáveis. Assim, como não é possível observar o mundo subatômico diretamente, por isso, os pesquisadores usam poderosos aceleradores para chocar feixes de matéria a velocidades próximas à da luz, procurando por assinaturas de energia que indiquem a formação das partículas subatômicas. As medições do Solenóide de Múon Compacto (CMS, sigla em inglês de Compact Muon Solenoid), no entanto, alcançaram uma margem de erro combinada de 4,9 desvios padrões (sigma), pouco menos que os 5 sigma convencionados para o anúncio de uma descoberta oficial, que significa uma probabilidade de mais de 99,9999% das medições estarem corretas.

Então os cientistas observaram um excesso de eventos na faixa de energia de 125,6 giga elétron-volt (GeV)/c2 com o nível de certeza de 5 sigma que seria uma evidência da formação do Bóson de Higgs nas poderosas colisões promovidas no Grande Colisor de Hádrons (LHC, sigla em inglês de Large Hadron Collider).

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O Universo é luz

Sim, o universo é luz, ele é composto na sua maioria de partículas de luz. Para cada partícula de matéria no universo existem cerca de um bilhão de partículas de luz. Em outras palavras, o universo é feito quase inteiramente de luz.

Mas porque isso aconteceu? E ainda bem que aconteceu, porque por matéria designamos partículas como os elétrons e prótons, que formam átomos, pessoas, planetas e estrelas. Essa questão evoca um dos maiores problemas não resolvidos na física fundamental: por que resta matéria no universo?

Não deveria, porque as partículas de matéria, em vasta inferioridade numérica, parecem ser um minúsculo resíduo deixado da espetacular queima de fogos que ocorreu no segundo posterior ao Big Bang. Aquele momento fugaz viu a produção de quantidades praticamente iguais de matéria e antimatéria, combinadas em um plasma quente. À medida que o universo se expandia e resfriava, os antielétrons começaram a se fundir com os elétrons e os antiprótons a se fundir com prótons, convertendo-os em partículas de luz.

A lógica simple levaria a crêr que matéria e antimatéria se cancelavam mutuamente, deixando para trás um universo repleto de luz. Isso é um princípio básico da “simetria” entre matéria e antimatéria é a razão para que tenham sido criadas em volume igual no nascimento do universo. De acordo com as equações de Dirac, a antimatéria devia se comportar exatamente como a matéria comum, com a exceção de que portaria a carga elétrica oposta. Algo deve ter interferido para impedir que matéria e antimatéria se cancelassem de modo perfeito, e sem isso não estaríamos aqui para refletir sobre nosso notável universo. Mas o quê?

Recentes pesquisas feitas pelo Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (Cern) utilizando um reator nuclear chinês, obtiveram resultados interessantes. O projeto Alpha, onde algumas dezenas de cientistas estudam pela primeira vez átomos de antimatéria. Enquanto, na China, o reator da baía de Daya, na província de Guangdong, perto de Hong Kong, foi usado para confirmar que os neutrinos podem em breve assumir posição central em nossa compreensão de como o universo surgiu.

A experiência Alpha, do Cern, é mais um esforço com o objetivo de descobrir essas sutis diferenças, mas o que torna o projeto Alpha especial é a singularidade do teste que ele pode executar. O Cern produz anti-hidrogênio desde 1995, mas apenas agora esses átomos podem ser desacelerados, aprisionados (usando ímãs) e estudados por sondas de micro-ondas.

A expectativa teórica é de que o hidrogênio e o anti-hidrogênio absorvam e emitam luz (micro-ondas são uma forma de luz) exatamente da mesma maneira. Os resultados até o momento confirmam a premissa, mas o projeto apenas começou e a experiência planeja realizar mensuração precisa; a descoberta de qualquer desvio entre o hidrogênio e o anti-hidrogênio seria nada menos que sensacional.

Até o momento, as experiências de Física de partículas se concentraram primordialmente nas diferenças entre os quarks e os antiquarks. Os mais recentes esforços quanto a isso foram liderados por cientistas que trabalham no projeto Beauty do Grande Colisor de Hádrons, no Cern, mas quarks não são a única possibilidade.

Os neutrinos também têm parceiros de antimatéria. Foram menos bem estudados, basicamente porque detectá-los é muito mais difícil; só nos últimos anos a situação começou a mudar.

A experiência com o reator da baía de Daya, na China, envolve contar o número de antineutrinos emanados de um reator nuclear; o resultado, publicado em 8 de março, fez uma contribuição decisiva ao demonstrar, sem sombra de dúvida, que os neutrinos também podem contribuir para o debate sobre matéria e antimatéria.

Novidades Científicas

Não é bem novidade, mas, dados enviados elo satélite Goce (sigla em inglês de Explorador da Circulação Oceânica e do Campo Gravitacional) à ESA (Agência Espacial Europeia, em inglês European Space Agency), durante dois anos, possibilitaram o estudo preciso do campo gravitacional do planeta Terra.

O modelo da Terra ilustra como a força que sentimos sob nossos pés não é a mesma em cada ponto to planeta. A gravidade é mais forte nas áreas que aparecem pintadas de amarelo no globo, e diminui até chegar às áreas azuis.

Outra novidade – essa pode, até, gerar discussão. O Grande Colisor de Hádrons (LHC), criado para estudo de colisões de partículas, pelo Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (CERN), está perdendo para o antigo Tevatron, acelerador de partículas que fica em Illinois, EUA.

Parece que eles encontraram o misterioso bóson de Higgs, partícula prevista teoricamente mas nunca achada, que daria massa a outras partículas. Será? O blog Ars Physica comentou sobre isso em O Higgs, o Tevatron, a ICHEP e o LHC.

Edição extra: O blog Ars Physica comentou sobre esse assunto, veja o artigo Uma Nova Partícula?

A vida em um acelerador de partículas

Encontrei essa imagem no blog mazaaah e achei muito hilária, o ciclo de vida de um próton no LHC.

E por falar em acelerador de partículas, mas especificamente o Grande Colisor de Hádrons (LHC), vamos ver LHC do CERN em números. As informações à seguir estão no blog The amazing life and chronicles of Christian BS. Um texto interessante que resolvi traduzir e publicar:

Isto inclui também outras estatísticas para comparação.

-271,3 – A temperatura (em graus Celsius) dos ímãs depois de cheios com hélio superfluido.

-193,2 – A temperatura (em graus Celsius) para que os ímãs foram resfriados.

10 -13 A pressão do ar (em Pascal) no interior do LHC.

10 -12 A pressão do ar (em Pascal) na lua.

0,00000000047 – A massa total (em gramas) de prótons circulam no LHC a qualquer momento.

0,000000002 – quantidade de hidrogênio utilizado (em gramas) por dia pelo LHC.

0.0001 – O tempo (em segundos) para um próton circular o LHC.

0.75 – A quantidade (em gramas) de hidrogênio necessário para encher um balão médio.

0,999997828 – O número de vezes na velocidade de luz que os prótons se movem no LHC.

0,999999991 – O número de vezes na velocidade de luz que os prótons se movem em energia máxima no LHC.

1 – A força normal (em teslas) de um ímã de sucata (scrapyard magnet).

1,9 – A temperatura (em Kelvin) dos ímãs depois de cheios com hélio superfluido.

4,8 – A altura (em quilômetros) do Mont Blanc.

5 – O comprimento (em metros) de alguns dos ímãs quadripolares utilizados no LHC.

6,9 – A altura (em quilômetros) de 4 milhões de DVDs empilhados.

7 – A energia máxima que os prótons (em Tera elétron-volts) viajarão no LHC.

7 – O comprimento (em metros) de alguns dos ímãs quadripolares utilizados no LHC.

8,3 – A força (em teslas) dos ímãs supercondutores do LHC.

10,4 – A altura (em quilômetros) de seis milhões de DVDs empilhados.

13 – Tempo gasto (em anos) para construir o Big Ben.

14 – Tempo gasto (em anos) para a construção do LHC.

14 – A energia das colisões frontais (em Tera elétron-volts) dos prótons no LHC.

15 – A estimativade tempo de vida (em anos) do LHC.

15 – O comprimento (em metros) dos ímãs super-condutores bipolares.

15 – A informação (em petabytes) produzidas pelo LHC a cada ano.

27 – A circunferência (em quilômetros) do LHC.

32 – O tempo (em minutos) para circundar o LHC, à 50 km/h.

33 – O número de países com os quais o CERN está colaborando para instalar a Grade (The Grid).

50 – O limite de velocidade (em quilômetros por hora) para a condução em torno do LHC.

60 – A quantidade (em toneladas) de hélio líquido usado para levar a temperatura dos ímãs para baixo a -271,3 ° C.

80 – A temperatura (em Kelvin) para que os ímãs foram resfriadas.

100 – A profundidade aproximada do LHC.

361 – A energia (em megajoules) do USS Ronald Regan navegando à 5,6 nós.

362 – A energia coletiva (em megajoules) de prótons do LHC em alta velocidade.

392 – O número de ímãs quadripolares utilizados no LHC.

1.232 – O número de super-condutores ímãs bipolares no LHC.

2.808 – O número de grupo por feixe de prótons em plena intensidade.

4.650 – O volume interior (em metros cúbicos), do Big Ben.

9.000 – O volume bruto (em metros cúbicos) do sistema de vácuo principal do LHC.

9.300 – O número total de ímãs no interior do LHC.

10.080 – A quantidade (em toneladas) de nitrogênio líquido usado para refrigerar os magnetos.

11.245 – O número de vezes que um próton circula o anel em um segundo.

12.000 – A corrente (em ampères) que funciona através de um ímã super-condutores.

26.659 – A circunferência (em metros) do LHC.

88.000 – O peso total (em toneladas) do USS Ronald Regan.

100.000 – O número de vezes mais quente que o sol, as colisões serão.

1.000.000 – Número aproximado de anos necessários para o LHC para encher um balão de festa com Hidrogênio.

1.700.000 – O número de DVDs com duas camadas que podem ser preenchidos com os dados produzidos pelo LHC a cada ano.

6.000.000 – Número de DVDs necessários para armazenar os dados produzidos pelo LHC.

15.000.000 – A quantidade de informação (em gigabytes), produzido anualmente pelo LHC.

600.000.000 – O número bruto de colisões que ocorrem a cada segundo.

1.000.000.000 – O limite máximo de velocidade aproximada (em metros por segundo) de um próton ao redor do LHC.

4.100.000.000 – O custo (em libra – £) da construção do LHC.

4.500.000.000 – O custo (em dólares americanos – US$) da construção do USS Ronald Regan.

7.199.190.000 – O custo (em dólares americanos – US$) da construção do LHC.

115.000.000.000 – O número de prótons em cada grupo por feixe.

O Big Bang é aqui!

Large-Hadron-Collider

O Big Bang é aqui! Ontem, o Grande Colisor de Hádrons (LHC) bateu um novo recorde, e virou notícia em vários periódicos, noticiários online e TV. O acelerador de partículas conseguiu produzir a colisão de dois feixes de prótons a 7 trilhões de elétron-volts (7 TeV), uma nanofração de segundo mais lenta que a velocidade da luz, criando uma explosão que os cientistas estão chamando de um “Big Bang em miniatura“. O feito emocionou a equipe do Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (Cern), que aplaudiu de pé o resultado da experiência assistida por pesquisadores do mundo todo.

Finalmente eles conseguiram colocar esse acelerador para funcionar. Os dados obtidos chegaram à marca desejada pelos cientistas do Cern. Entretanto, os dados obtidos devem levar anos para serem analisados por milhares de cientistas do mundo.

Os cientistas esperam que o LHC lance luz sobre grandes mistérios do Universo. Será que vão conseguir?A principal motivação é identificar o bóson de Higgs, também conhecido como “partícula de Deus“. Proposto em 1964 pelo escocês Peter Higgs, o bóson seria o responsável por dotar de massa tudo o que existe no Universo, transformando gases em galáxias, estrelas e planetas. A partícula também possibilitaria o surgimento da vida na Terra e, talvez, em outros locais do cosmos. Por isso há tanta expectativa de que o LHC forneça provas de sua existência.

Outra missão do Cern é encontrar evidências relacionadas à matéria escura, ou invisível, que seria responsável por cerca de 25% da massa do Universo. Apenas 5% do cosmos reflete luz. Espera-se, ainda, que o LHC, em seus estimados 20 anos de vida, encontre provas reais da existência de energia escura, que representaria os 70% restantes do Universo. Será que vão ter construir um acelerador maior para explicar isso?

Materia Escura

Teoria de tudo

Aqui eu escrevo um pouco de tudo, e por falar em tudo, a teoria do tudo explicaria tudo. Será?  Tá bom, não é tudo, tudo, mas é quase. Quase não tudo, mas nesse caso é muita coisa. Não explicaria tudo, mas unificaria tudo, resumiria tudo a uma unica coisa. Nesse caso, resumi-se a uma corda.

Inicialmente, o termo, teoria de tudo, foi usado com uma conotação irônica para referir-se a várias teorias sobregeneralizadas. Depois o termo se popularizou na Física quântica ao descrever uma teoria que poderia unificar ou explicar através de um modelo simples de teorias de todas as forças fundamentais conhecidas (gravitacional, interações eletromagnéticas, fracas e fortes) e matéria (quarks e léptons) em um sistema matemático completo.

A teoria das cordas é um ramo de desenvolvimento da mecânica quântica e relatividade geral com o objectivo de fundir e conciliar as duas áreas de física em uma teoria quântica de gravidade (quantum theory of gravity).  As cordas da teoria das cordas são linhas unidimensionais oscilantes, melhor dizendo, é um modelo físico cujos blocos fundamentais são objetos extensos unidimensionais, semelhantes a uma corda, e não por pontos sem dimensão (partículas) que eram a base da física tradicional.

Desde a sua criação como o modelo de ressonância dupla, quedescreveu como hádrons interagindo como cordas. A teoria das cordas tem sido alterada para incluir qualquer grupo relacionados as teorias de supercordas. Uma propriedade comum de todas essas teorias é o princípio holográfico. A teoria das cordas vem de diferentes formulações, cada uma com uma estrutura matemática diferente, e cada uma descrever melhor as diferentes condições físicas. Mas os princípios compartilhados por estas abordagens. A sua consistência lógica em comum, e o fato de que algumas delas incluem a facilidade do modelo padrão da física de partículas, levou muitos físicos como Leonard Susskind e Edward Witten a acreditar que a teoria é a correta descrição fundamental da natureza. Em particular, a teoria das cordas é o primeiro candidato para a teoria de tudo (TOE), um maneira de descrever as interações fundamentais da natureza.

Trabalhos na teoria das cordas têm levado a avanços na matemática, principalmente em geometria algébrica. A teoria das Cordas tem também levado a novas descobertas na teoria da supersimetria que poderão ser testadas experimentalmente pelo Grande Colisor de Hádrons. Os novos princípios matemáticos utilizados nesta teoria permitem aos físicos afirmar que o nosso universo possui 11 dimensões: 3 espaciais (altura, largura e comprimento), 1 temporal (tempo) e 7 dimensões recurvadas (sendo a estas atribuídas outras propriedades como massa e carga elétrica, por exemplo), o que explicaria as características das forças fundamentais da natureza.

Em resumo, a teoria das cordas é a menor parte da matéria. De acordo com a teoria todas aquelas partículas que considerávamos como elementares, como os quarks e os elétrons, são na realidade filamentos unidimensionais vibrantes, a que os físicos deram o nome de cordas. Ao vibrarem as cordas originam as partículas subatómicas juntamente com as suas propriedades. Para cada partícula subatómica do universo, existe um padrão de vibração particular das cordas.

Para saber que letrinhas são essas leia outro post, Elementar, meu caro Watson. Se você está com preguiça, essas são as partículas elementares.

Mais Hádrons

Depois de um ano de reparos e ajustes, o Grande Colisor de Hádrons – ou em inglês, Large Hadron Collider (LHC) – voltou a funcionar na semana passada. Os engenheiros e físicos do maior acelerador de partículas do mundo reiniciaram o experimento para recriar as condições do “Big Bang“, pesquisa esta que gerou sugestões de que por causa dele a Terra seria tragada por milhões de buracos negros.

Cientistas formaram raios de luz capazes de movimentar as partículas em ambas as direções no Grande Colisor de Hádrons, um passo que já está além de onde o experimento parou no primeiro teste, em setembro de 2008.

LHC

O LHC foi inaugurado no dia 10 de setembro. Nove dias depois, enquanto realizavam o experimento, através do qual pequenas partículas são amassadas em uma tentativa de aprender mais sobre o nascimento do universo, os pesquisadores do Centro Europeu de Investigação Nuclear (CERN) constaram um vazamento de hélio no túnel e, por isso, decidiram desligar o acelerador de partículas para reparos, que durou mais do que o esperado. Em meio a muita polêmica e acidentes estranhos, o aparelho da Organização Européia para Pesquisa Nuclear continua sendo mais conhecido como a “Máquina do Fim do Mundo“. Adoro essa denominação, a ignorância produz pérolas como essa. O CERN, uma organização de 55 anos que conta com 10 mil cientistas e técnicos no mundo inteiro em seus projetos de pesquisa, rejeitou qualquer sugestão de que o experimento poderia acabar com o mundo.

Localizado entre as fronteiras da França e da Suiça, o LHC é um anel com 27 quilômetros de extensão. Ele é subterrâneo e fica a 100 metros abaixo da superfície. O custo dele foi de mais de 3,5 bilhões de euros.

Se o progresso se mantiver nesse ritmo, os cientistas podem ser capazes de acelerar partículas no mais alto nível de energia já testado antes do próximo Natal. Apesar disso, as colisões em alta energia, que podem esclarecer os segredos do universo, só devem ocorrer no ano que vem. O experimento estará completamente operante quando os raios de luz das partículas colidirem a altos níveis de energia. Isso provavelmente acontecerá em janeiro.

O próximo passo importante no experimento será o de colisões movidas a baixa energia, o que deve acontecer daqui uma semana, de acordo com o CERN.

Large-Hadron-Collider