Large Hádron Collider - Um Grande Passo para a Humanidade

O objectivo hoje é conseguir que as partículas dêem uma volta completa ao enorme túnel de 27 quilómetros que constitui o Grande Acelerador de Hadrões (LHC na sigla inglesa), antes de realizar experiências com colisões de protões, para tentar identificar novas partículas elementares.

Lyn Evans, director do projecto do LHC: "Não sabemos de quanto tempo vamos precisar" para conseguir que circulem os protões de forma estável, disse.

O primeiro lançamento de partículas até ao acelerador fez-se no sentido das agulhas do relógio, explicou Evans. "Vamos confirmando que cada um dos elementos da máquina funciona, um por um", acrescentou. Depois desta primeira tentativa saber-se-á se o maior acelerador de partículas do mundo funciona, mas os primeiros choques de protões apenas se produzirão daqui a alguns meses, altura em que se iniciará a obtenção de dados.

Em plena força, 600 milhões de colisões por segundo irão gerar uma floração de partículas tal como aconteceu no início do mundo, algumas das quais nunca puderam ser observadas.

O objectivo final desta grande experiência é poder dar resposta a muitas perguntas sobre a origem do Universo, entender por que a matéria é muito mais abundante no Universo do que a anti-matéria, e chegar a descobertas que "mudarão profundamente a nossa visão do Universo", segundo o director do CERN, Robert Aymar.

Uma das aspirações dos cientistas é encontrar o hipotético bosão de Higgs, uma partícula que nunca foi detectada com os aceleradores existentes, muito menos potentes que o LHC.

O Nobel da Física de 1979 Steven Weinberg, preferem dizer que as descobertas no LHC podem tornar Deus menos importante na nossa compreensão do Universo: "Se conseguirmos criar uma teoria final em que todas as forças e partículas são explicadas, e essa teoria ajudar a compreender o Big Bang e nos der uma cosmologia consistente, deixar-se-á menos à religião para explicar", escreveu na Newsweek.

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Buracos Negros: Como Ondas II - Fonões

William Unruth, em 1981, demonstrou uma semelhança entre a propagação do som num fluido em movimento e a da luz no espaço-tempo curvo. Esta demonstração poderá permitir a observação experimental de um fenómeno idêntico ao de Hawking. Quando a temperatura se aproxima do zero absoluto, o som pode-se comportar como partículas quânticas – fonões.

O comportamento dos fonões num fluido em repouso ou em movimento uniforme é análogo ao comportamento dos fotões no espaço-tempo plano, com uma propagação rectilínea, com comprimento de onda, frequência e velocidade constantes.

Se o fluido estiver suficientemente frio a analogia estende-se ao nível quântico. O horizonte sónico emite fonões térmicos similares à radiação de Hawking.

Outras simulações de buracos negros foram propostas por alguns físicos. Uma das ideias envolve ondulações na superfície de um líquido entre camadas de hélio superfluido, tão frio a ponto de ter perdido toda a resistência friccional ao movimento. Outra ideia é modelar a expansão acelerada do Universo, que gera uma radiação idêntica à de Hawking. Um condensado de Bose-Einstein (gás frio ao ponde dos seus átomos perderem a sua identidade individual) pode agir sobre o som como um Universo em expansão faz com a luz.

Os detalhes da estrutura molecular estão contidos na forma como a velocidade de uma onda sonora depende do seu comprimento de onda, chamada Relação de Dispersão e que determina a velocidade de propagação.

Podem ocorrer três comportamentos:

Tipo I – Ausência de dispersão. A onda em comprimentos curtos comporta-se como em comprimentos longos

Tipo II – A velocidade decresce quando o comprimento de onda diminui.

Tipo III – A velocidade aumenta.

O tipo I descreve fotões na relatividade; o tipo II descreve-os em hélio superfluido; e o tipo III em condensados de Bose-Einstein diluídos.

Numa visão de frente para trás no tempo, os fonões nadam a favor da corrente em direcção ao horizonte, e o seu comprimento diminui. Quando o comprimento se aproxima da distância intermolecular, a relação de dispersão torna-se um factor importante. No tipo II, os fonões reduzem a velocidade, invertem a direcção e voltam a deslocar-se contra a corrente. No tipo III, ultrapassam a velocidade do som e cruzam o horizonte.

A analogia com o efeito Hawking deve satisfazer uma condição: os pares de fonões virtuais devem iniciar a sua existência no estado fundamental, tal como os pares de fotões virtuais em torno do buraco negro.

Sob essa condição, o fluido emite uma radiação semelhante à de Hawking. Os comprimentos de onda atingem o menor nível na distância intermolecular. O desvio para o vermelho infinito é uma consequência da suposição não realística de que os átomos são infinitamente pequenos.

A analogia indica que o resultado de Hawking está certo. Sugere também que o desvio para o vermelho infinito no horizonte do buraco negro deve ser evitado devido à dispersão da luz de comprimento de onda curto. Uma contra é que a teoria da relatividade refere que a luz não sofre dispersão no vácuo. Perante este dilema, ou os cientistas retêm a injunção de Einstein contra um sistema de referência preferencial e admitem o desvio para o vermelho infinito, ou então concedem que os fotões não sofrem desvio para o vermelho infinito, e são forçados a introduzir um sistema de referência preferencial.

Suspeita-se, há muito tempo, que juntar a relatividade e a mecânica quântica envolve um atalho curto, provavelmente relacionado à escala de Plank. A analogia acústica reforça essa suspeita.

Fonte: Scientific American 2008

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Buracos Negros: Como Ondas I

Fonte: Scientific American 2008

Todos os dados experimentais, de escalas subnucleares a escalas galácticas, são explicados pelos três pilares da física moderna – Relatividade especial, relatividade geral e mecânica quântica.

Na relatividade geral, quando uma partícula passa o horizonte de eventos a sua frequência alonga-se em duração. Este efeito é chamado de desvio para o vermelho gravitacional (redshift). Este desvio, num campo gravítico tão forte, torna-se infinito.

Até agora, na descrição dos buracos negros, a luz era tratada como uma onda electromagnética. Stephen Hawking reconsiderou as implicações do redshift infinito quando se leva em conta a natureza quântica da luz. Na quântica nem o vácuo é perfeito, ele contém flutuações como resultado do princípio da incerteza de Heisenberg. Longe da influência gravitacional, os pares de fotões, responsáveis pelas flutuações quânticas, aparecem e desaparecem tão rapidamente que são chamados pares virtuais. No espaço-tempo não curvo as partículas aparecem e desaparecem sem parar porque não há influência gravitacional.

No espaço-tempo curvo curvo, em torno de um buraco negro, um dos fotões pode ficar aprisionado dentro do horizonte de eventos. O par passa, então, de virtual a real, resultando na emissão de luz e num decréscimo correspondente na massa do buraco negro.

A radiação Hawking – a emissão dos fotões e consequente perda de massa do buraco negro – ainda não foi possível confirmar experimentalmente. A emissão de fotões por buracos negros é fraca demais. A única esperança é encontrar buracos negros do início do Universo ou então produzi-los nos aceleradores de partículas.

Imaginemos, agora, o processo invertido no tempo: o fotão de Hawking aproxima-se do buraco negro e sofre um desvio para o violeta. Quanto mais recua no tempo mais próximo fica do horizonte de eventos e menor é o seu comprimento de onda. O fotão junta-se ao companheiro (que acaba de sair do horizonte de eventos do buraco negro) formando o par virtual.

O desvio para o violeta continua até uma distância de 10^-35 metros, conhecida como comprimento de Plank, nem a relatividade, nem a teoria quântica podem descrever como a partícula se comporta. Torna-se necessária uma teoria quântica da gravidade.

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desde (quase) o início: Fase cósmica

Fase cósmica
Um oceano de calor
Antes do primeiro segundo o universo é um puré composto por protões, neutrões, electrões, fotões e neutrinos. As colisões são frequentes. Um protão e um neutrão podem combinar-se formando o deutério mas aparece um fotão que os separa.
No primeiro segundo a temperatura desce cerca de 10 mil milhões de graus. Existem cada vez menos fotões para quebrar as ligações do deutério. Estes duram cada vez mais tempo. Logo aparecem sistemas de 3 e 4 nucleões , são núcleos de hélio. Esta fase durou alguns minutos. O Universo possui agora núcleos de hélio e populações muito fracas de núcleos mais leves como o deutério, hélio-3 e lítio-7.
A evolução nuclear parou no hélio-4 – o Universo falhou a sua primeira tentativa de nucleossíntese. O hélio-4 é demasiado estável. Os seus laços estão saturados. É um gás nobre.
A energia térmica diminui até ser comparável à electromagnética, um milhão de vezes mais fraca. A descida de temperatura durará um milhão de anos. A cerca de 3 mil graus cada protão é revestido de um protão e cada núcleo de hélio é revestido de dois electrões: nasceram os átomos e moléculas.
Um milhão de anos. Neste momento já não há electrões livres para impedir a passagem dos fotões. O Universo torna-se transparente.
A matéria passa para o comando

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desde (quase) o início: Intro

Em 1929, Edwin Hubble mostrou que quase todas as galáxias se afastavam de nós, usando a técnica do efeito Doppler. Afastam-se tanto mais depressa quanto mais distantes se encontram, tal como um pudim no forno. Se eu observar para qualquer direcção a velocidade de expansão é a mesma. Aplicando a teoria da relatividade geral de Einstein, falamos na teoria da expansão universal, da explosão inicial : big bang.
Ao olhar para longe no universo nota-se que o número de galáxias e quasars num dado volume é tanto maior quanto mais distante se olha. Qual a idade do Universo?
1º método – movimento das galáxias: recuemos no tempo até ao momento em que a sua matéria se sobrepunha. Este instante “zero” situa-se entre 15 e 20 mil milhões de anos
2º método – a idade das estrelas mais velhas: as estrelas aquecem-se com energia nuclear. Obtêm luz queimando os seus carburantes. Queimam átomos de hidrogénio transformando-os em hélio. Depois queima os átomos de hélio transformando-os em átomos mais pesados. É a vida das estrelas. Na nossa galáxia encontram-se estrelas de “primeira geração” com idades entre 15 e 16 mil milhões de anos. Na teoria da expansão universal as galáxias aparecem demasiado cedo, mil milhões de anos depois da explosão inicial.
3º método – a idade dos átomos mais velhos: a vida média do C-14 é de 6 mil anos. Mil átomos de C-14 passados seis mil anos restam 500, depois de doze mil anos, 250... O urânio 235 e o urânio-238 têm vida média de mil milhões e seis mil milhões de anos. Na Terra há 137 vezes mais U-238 que U-235. No tempo dos dinossauros era de 110. Quando do nascimento da Terra era de três. Os núcleos de urânio foram gerados no seio das estrelas. A abundância relativa destes isótopos serve de ampulheta cósmica. Idade do universo está entre 12 e 17 mil milhões de anos.
Recuando no curso do tempo vemos as galáxias aproximarem-se umas das outras. A densidade média do Universo aumenta, e com ela a temperatura. A matéria atrai a luz, a luz atrai matéria, a luz atrai luz. No primeiro milhão de anos, o Universo é dominado pela luz, que com o tempo se tornou anémica. A luz era reabsorvida e não teve possibilidade de chegar até nós. Esta opacidade tira-nos a esperança de ver o início do universo. Mas a radiação fóssil foi emitida na passagem da opacidade à transparência.
O hidrogénio domina o universo com 90% dos átomos, o hélio vem em segundo com 8 ou 9%. O conjunto dos outros elementos dividem o restante.
Quanto mais elevada é a temperatura mais colisões de dão e mais violentas são as reacções. Nos primeiros instantes as colisões multiplicavam-se sem limite. Nos primeiros minutos a temperatura baixou, o fogo nuclear extinguiu-se. Neste caldo inicialmente composto por protões e neutrões , se encontra actualmente 10% de núcleos de hélio para 90% de hidrogénio. Mais ou menos o que se observa actualmente no universo. 8 a 10 átomos de hélio para 90 de hidrogénio é o mesmo que se encontra em galáxias muito ou pouco activas, no interior de estrelas ou em sítios calmos: O Universo é uniforme.
A fase inicial de reacções nucleares cósmicas gera em fraca quantidade deutério (hidrogénio pesado), hélio-3 (hélio leve) e um isótopo do lítio. As quantidades calculadas concordam com as observadas no Cosmos.
No Cosmos há mil milhões de fotões por cada átomo, porquê? Matéria e antimatéria juntas transformam-se em luz. Nos primeiros segundos matéria e antimatéria coexistiam e formavam luz, mas também renasciam dela (resultados verificados em laboratórios de física nuclear). Há uma diferença inferior a um milionésimo entre matéria e antimatéria, esta diferença é a favor da matéria ordinária. No curso do arrefecimento matéria e antimatéria aniquilavam-se sem voltar a reconstituir-se. Tudo desapareceu menos a diferença que havia, que é o que conhecemos.

"Um pouco mais de azul", Humberto Reeves

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