A busca pelo boson de Higgs: uma história a ser lembrada

A introdução do conceito de quebra espontânea de simetria e o mecanismo de Higgs foi um marco na descrição das interações electrofracas. Eles permitiram construir uma teoria consistente que incorporou toda a fenomenologia de baixas energias e ainda fez predições importantes, como a existência de interação fraca sem troca de carga e de um bóson escalar neutro, o chamado bóson de Higgs. O Modelo Padrão foi exaustivamente testado desde o final da década de 60 tendo apresentado excelente acordo com os dados experimentais. Apenas a descoberta do bóson de Higgs permanecia como um desafio para o modelo nesses últimos 45 anos. Agora, com os dados recentes obtidos pelas colaborações do LHC parece que essa busca finalmente chegou ao fim. Esse é um bom momento para revisitar a história da construção e teste do modelo, bem como apresentar o cenário da descoberta do bóson de Higgs.

Autoria: 

 Prof. Sergio Novaes [IFT - UNESP]

Pósitrons, Léptons, Quarks, Glúons, Hádrons, Antiquarks, Bárions e Mésons

 As partículas elementares são classificadas em dois tipo: bosons e fermions.
Basicamente, fermions são partículas de spin semi inteiro e bosons partículas de spin inteiro. Essa simples diferença tem profundas implicações  Os fermions são as partículas que fazem o nosso mundo, como eletrons e protons (lembrando que o próton não eh uma partícula elementar). Os bosons são partículas que intermediam forcas, como o foton (intermediador da forca eletromagnética) e os glúons (intermediadores da forca forte).

Os fermions são classificados em quarks e léptons. Os quarks são partículas que interagem através da forca forte e os léptons não interagem fortemente. Três quarks podem se unir, através da forca forte, para formar outras partículas, essas são chamadas de bárions, os protons e os nêutron são bárions.
Os hádrons são partículas pesadas formadas por quarks e que são estáveis gracas a forca forte, os bárions são tipo de hádrons, já o elétron eh um exemplo de lépton.

Alem das partículas elementares existem as anti-partículas. Basicamente, cada partícula tem uma anti partícula correspondente, com características iguais, mas carga elétrica oposta.
O pósitron eh a anti partícula do elétron  Cada quark também tem uma anti partícula correspondente, chamada anti quark. Um quark pode se ligar a um anti quark, assim eles formam um méson.

Na natureza só existem 4 tipos de forcas, a nuclear forte, nuclear fraca, eletromagnética e a gravitacional. Cada uma dessas possui uma partícula (um bóson  que server para transmitir essa forca, no caso da eletromagnética  o foton, no caso da nuclear forte, os gluôns  nuclear fraca os bosons W e no caso da gravitacional o graviton (esse ultimo ainda não foi observado experimentalmente, por isso eh uma partícula hipotética).

Uma aula básica

Partículas elementar

Em física de partículas, uma partícula elementar ou partícula fundamental é uma partícula que não possui nenhuma sub estrutura . Por exemplo,átomos são feitos de partículas menores conhecidas como elétrons, prótons e nêutrons. Os prótons e nêutrons, por sua vez, são compostos de partículas mais elementares conhecidas como quarks. Um dos mais notáveis da física de partículas é encontrar as partículas mais elementares – ou as co-denominadas partículas fundamentais – as quais constroem todas as outras partículas encontradas na natureza, e não são elas mesmas compostas de partículas menores. Historicamente, os hádrons (mésons e Bárions tais como o próton o nêutron) e até mesmo o átomo inteiro já foram considerados como partículas elementares.
O modelo padrão das partículas físicas contém 12 sabores de férmios (partículas massa) elementares, além de suas correspondentes antipartículas, como também bósons ("partículas de radiação") elementares que mediam as forças e o recém descoberto bóson de Higgs. Contudo, o modelo padrão é largamente considerado como sendo uma teoria provisória do que uma verdade fundamental, desde que ele é incompatível como a relatividade geral de Einstein. Os fótons (partículas emitidas pela luz) por exemplo são o quanta dos campos eletromagnéticos. Há o que provavelmente sejam partículas elementares hipotéticas que não são descritas pelo modelo padrão, tais como o gráviton, a particular que transporta a força gravitacional ou as s-partículas, associações supersimétricas da partículas ordinárias.

Matéria

Matéria é tudo que ocupa espaço e possui massa de repouso (ou massa invariante). É um termo geral para a substância da qual todos os objetos físicos consistem.1 2 Tipicamente, a matéria inclui átomos e outras partículas que possuem massa. A massa é dita por alguns como sendo a quantidade de matéria em um objeto e volume é a quantidade de espaço ocupado por um objeto, mas esta definição confunde massa com matéria, que não são a mesma coisa.3 Diferentes campos usam o termo de maneiras diferentes e algumas vezes incompatíveis; não há um único significado científico que seja consenso para a palavra "matéria", apesar do termo "massa" ser bem definido.

Contrariamente à visão anterior que igualava massa e matéria, uma das principais dificuldades em definir matéria consiste em decidir quais formas de energia (todas as quais possuem massa)não são matéria. Em geral, partículas sem massa como fótons e glúons não são considerados formas de matéria, apesar de que quando estas partículas estão aprisionadas em sistemas em repouso, elas contribuem com energia e massa para eles. Por exemplo, quase 99% de toda a massa da matéria atômica comum consiste da massa associada com a energia contribuída pelos glúons e a energia cinética dos quarks que fazem os núcleons. Vendo desta forma, a maior parte da "matéria" ordinária consiste de massa que não é contribuída por partículas de matéria.

Em grande parte da história das ciências naturais as pessoas contemplaram a natureza exata da matéria. A ideia de que a matéria era feita de blocos de construção discretos, a assim chamada teoria particulada da matéria, foi proposta primeiro pelos filósofos gregos Leucipo (~490 AC) e Demócrito (~470-380 AC).4 Com o passar do tempo foi descoberta uma estrutura cada vez mais fina para a matéria: objetos são feitos de moléculas, moléculas consistem de átomos, que por sua vez consistem de partículas subatômicas como os prótons e elétrons.5 6

Normalmente se diz que a matéria existe em quatro estados (ou fases): sólido, líquido, gás e plasma). Entretanto, avanços nas técnicas experimentais descobriram outras fases, que antes eram apenas teóricas, como o Condensado Bose-Einstein e o Condensado fermiônico. Um foco na visão da matéria partícula-elementar também leva a novas fases da matéria, como o plasma de quarks-glúons.7

Na Física e Química, a matéria exibe propriedades tanto de onda quanto partícula, a assim chamada Dualidade onda-partícula.8 9 10

Na cosmologia, extensões da expressão matéria são usadas para incluir a matéria escura e a energia escura, conceitos introduzidos para explicar alguns fenômenos estranhos do Universo observável, como a curva de rotação galáctica. Estas formas exóticas de "matéria" não referem-se à matéria como "blocos de construção", mas a formas atualmente mal compreendidas de massa e energia.11

 

imagens e conteúdo tirados da Wikipédia 

alterando as partículas da matéria é capaz de transformar metal em ouro, ate transformar uma pessoa em pó

Qual a intenção esperada do LHC.

O que eles esperam é recriar a o Big Bang, para provar a teoria que o universo começou a partir de uma grande explosão de átomos.
Comprovando a teoria do Big Bang assim poderia se provar a teoria do Buraco de minhocas ( Buraco Negro) assim podem provar que dentro desse possível acontecido podem existir outras dimensões. Ou de simplesmente te levar a outra universo, até mesmo podem levar a outra parte da galáxia entre todas que existem.
Aproximadamente cerca de bilhões de planetas habitáveis em todo o universo.

A esquerda: o possível Big Bang criado dentro do
LHC.








A direita: como imagina-se o Big Bang.

O LHC se localiza...

O laboratório localiza-se em um túnel de 27 km de circunferência, bem como a 175 metros abaixo do nível do solo na fronteira franco-suíça, próximo a Genebra, Suíça.

Uma Simples Hipótese

A Hipótese é...

Muitos cientistas acreditam que com o acera mento dos prótons pode ocorrer o surgimento de um buraco negro outra teoria é que pode ocorrer o surgimento de matéria estranha na qual que pode possuir a característica de converter a matéria ordinária em matéria estranha, gerando nova reação em cadeia na qual todo planeta seria transformado.

ALGO MAIS

COMO SURGIU
Os aceleradores de partículas foram inventados na década de 1920 como uma ferramenta para a investigação em física. Por fora, parecem grandes túneis, e podem ter vários quilômetros de extensão. Dentro deles, partículas como protões, eletrões, positrões, anti-protões e diferentes tipos de iões são acelerados a velocidades próximas das da luz, utilizando-se campos electromagnéticos para esse efeito. O único requisito para acelerar partículas é o de que estas tenham carga elétrica e vivam o tempo suficiente para poderem ainda ser úteis.


Os aceleradores de partículas são então equipamentos que fornecem energia a feixes de partículas subatômicas eletricamente carregadas. Todos os aceleradores de partículas possibilitam a concentração de alta energia em pequeno volume e em posições arbitradas e controladas de forma precisa. Exemplos comuns de aceleradores de partículas existem nas televisões e geradores de raios-X, na produção de isótopos radioativos, na radioterapia do cancro, na radiografia de alta potência para uso industrial e na polimerização de plásticos.

O estudo das partículas elementares constituintes de núcleo atômico iniciou-se num pequeno acelerador desenvolvido em 1927 pelos físicos ingleses J. D. Cockcroft e E. T. S. Walton na Universidade de Cambridge, Inglaterra. Estes cientistas através do dispositivo conseguiram realizar a primeira reação nuclear induzida artificialmente ganhando assim o Premio Nobel de física de 1951 .

Informações sobre o LHC.

Acelerador de partículas 

Os aceleradores de partículas são equipamentos que fornecem energia a feixes de partículas subatômicas eletricamente carregadas. Todos os aceleradores de partículas possibilitam a concentração de grande energia em pequeno volume e em posições arbitradas e controladas de forma precisa. Exemplos comuns de aceleradores de partículas existem nas televisões e geradores de raios-X, na produção de isótopos radioativos, na radioterapia do câncer, na radiografia de alta potência para uso industrial e na polimerização de plásticos.O acelerador de partículas é um instrumento essencialmente construído utilizando uma fonte de partículas carregadas expostas a campos elétricos que as aceleram. Após a aceleração passam em seguida por um campo magnético que as desvia de suas trajetórias focalizando-as e controlando as direções(defletindo-as).


Todos os tipos de aceleradores independentemente de seu grau de avanço tecnológico obedecem aos mesmos princípios básicos. Devido à disposição geométrica dos campos eletromagnéticos responsáveis pela aceleração das partículas, basicamente são classificados em dois tipos: cíclicos e lineares.


Para que possam ocorrer às condições mais próximas do ideal, existe a necessidade de geração de vácuo de excelente qualidade na região de trânsito, evitando assim a dispersão destas pelas moléculas de gases que porventura estejam em sua trajetória.


Um exemplo simples de acelerador de partículas, com todas as características citadas acima, são os tubos de raios catódicos de aparelhos de televisão. Estes dispositivos dispõem, numa de suas extremidades, um cátodo onde os elétrons ganham energia pelo aquecimento, escapando de seus átomos e ficando “livres”.


Cada elétron possui uma negativação individual. Ao se destacar do cátodo aquecido pelo filamento (Efeito Édison) estas partículas ficam expostas a um campo elétrico estabelecido pela aplicação de diferença de potencial entre aquele cátodo e o outro extremo, ou ânodo nas proximidades do ecrã (tela, no português brasileiro).


Uma vez emitidos, os elétrons são acelerados em direção a um foco entre um elétrodo chamado grade de controle e a um ânodo chamado de primeiro ânodo. A diferença de potencial aplicada à grade de controle determina a corrente eletrônica ou fluxo eletrônico, mais fluxo, mais brilho, menos fluxo, menos brilho, ou seja, controla o bombardeio de elétrons no ecrã.


A diferença de potencial do primeiro ânodo num tubo hipotético gira em torno de 250 V proporcionando assim uma primeira aceleração em sua direção, porém, não há a captura das partículas, pois estão sendo atraídas em direção a um potencial maior. A alta tensão está presente no segundo ânodo, esta gira em torno de + 12.000 V, que atrai os elétrons ainda mais, porém, estes passam em alta velocidade e ainda não são capturados devido a geometria tubular do elétrodo.


acelerador linear






Os aceleradores lineares fazem a partícula seguir uma trajetória reta onde a energia final obtida é proporcional à soma das diferenças de potencial geradas a partir dos mecanismos de aceleração dispostos ao longo da trajetória.







The w:CAST (axion observatory) experiment at w:CERN


Estes aceleradores são desenvolvidos de duas formas ou sistemas.
O primeiro sistema é o que utiliza a montagem de componentes que geram um campo magnético longitudinal móvel fornecendo assim energia cinética para os elétrons.


Este equipamento é provido de uma câmara de aceleração composta de um tubo de vácuo cilíndrico, tipo cavidade ressonante, ou guia de ondas que dirige o campo acelerador. Existe também um amplificador de potência de vários megawatts que excita as câmaras aceleradoras sucessivas e seqüenciais que forçam o deslocamento de uma frente de onda progressiva no guia de ondas, esta uma vez sincronizada pelos dispositivos aceleradores se desloca cada vez com maior velocidade até chegar ao fim do tubo. O que assegura a sincronização é a velocidade de fase da onda progressiva que acaba por se igualar à velocidade dos elétrons.

De todos os sistemas de aceleração de partículas, este é o mais antigo, porém só foi possível seu desenvolvimento integral a partir de meados da Segunda Guerra Mundial, esta espera ocorreu porque a teoria avançou mais rápido que a prática, e a tecnologia necessitou se desenvolver para a produção do equipamento. Não existia naquela época a técnica de conformação de ondas pelo uso da radiofreqüência em guias de onda. Tão logo ocorreu o desenvolvimento de dispositivos para tal durante a guerra foi possível a produção de reações nucleares. 

O segundo sistema de aceleração linear utiliza o método de ondas eletromagnéticas estacionárias, estas acabam por acelerar prótons.


Os prótons possuem massa em torno de duas mil vezes a dos elétrons, gerando uma barreira para sua excitação através de uma guia por ondas progressivas que tenham velocidade de fase igual à sua velocidade de avanço. Os prótons cuja energia é de quatro megavolt têm cerca de dez por cento da velocidade da luz, esta velocidade causa efeitos relativísticos. Estes impossibilitam o uso da técnica de guia de ondas da mesma forma que se usa para elétrons. Logo os aceleradores de ondas estacionárias são usados somente como injetores de prótons para aceleradores cíclicos de grande energia que possuem dispositivos para detectar e corrigir as distorções ocasionadas pelos efeitos relativísticos.


No Brasil, o desenvolvimento de aceleradores lineares se deve ao conhecimento e capacidade do Prof. Argus Moreira e sua equipe que projetou e construiu quatro máquinas no Centro Brasileiro de Pesquisas Fisicas, no Rio de Janeiro. Ainda em funcionamento, alguns desses aceleradores ajudam na formação de fisicos, engenheiros e técnicos e o desenvolvimento de novas técnicas cientificas.






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