Como funciona a detecção de partículas.

… E como funciona o Outreach exemplar do CERN.


LHC – tudo começa numa botija de Hidrogénio.

Quando se pretende colidir protões contra protões, tudo começa numa simples botija cheia de hidrogénio.

O Hidrogénio, na sua forma mais abundante, é um átomo simples: tem 1 protão e 1 electrão.

Ora o protão tem uma carga eléctrica positiva (+1) e o electrão tem carga negativa (-1) e é relativamente simples retirar a este átomo 1 electrão.

O protão fica assim pronto para ser injectado numa série de aceleradores circulares. Os feixes de protões adquirem cada vez mais velocidade até serem preparados para as colisões.

Uns feixes seguem numa direcção e outros na oposta. As zonas de colisão contêm os detectores destes eventos.

Podemos rever o fantástico vídeo da trajectória dos protões.

Estes feixes evoluem sem tocar nas paredes dos anéis dos aceleradores por causa da mesma carga eléctrica.

Poderosos magnetes mentém os feixes nessa rota, e apontam-nos na direcção do feixe contrário.

Como conceito é simples, mas na prática as coisas são muito mais complexas.


Como funciona um detector?

Os aceleradores no CERN impulsionam as partículas para energias muito elevadas antes de as fazerem colidir dentro dos detectores.

Estes detectores reúnem pistas sobre as partículas – incluindo a sua velocidade, massa e carga eléctrica – e é a partir destas pistas que os físicos conseguem identificar quem é quem no mundo das partículas.

O processo requer os aceleradores, poderosos electromagnetes, e camada após camada de complexos sub-detectores.

As partículas produzidas nas colisões normalmente viajam em linha recta, mas na presença dum campo magnético as suas trajectórias ficam curvas.

Os electromagnetes que cercam os detectores geram campos magnéticos para explorar este efeito.

Os Físicos podem calcular o momentum duma partícula – que fornece uma pista para a sua identidade – a partir da curva duma trajectória; as partículas com momentum muito elevado viajam quase em linha recta, enquanto as que têm momentum muito baixo avançam em espirais muito apertadas dentro dos detectores.


Uma política de Outreach exemplar.

A simulação interactiva do LHC ilustra o detector CMS (iniciais de Compact Muon Solenoid) com as suas diferentes camadas, e inclui detecções com opções de carga eléctrica positiva e negativa.

Podem consultá-la AQUI.

data higgs candidate

Podem também a partir deste simulador de eventos tentar as vossas observações das colisões.

O simulador actua igualmente como um laboratório em linha para estudantes e Físicos e, claro está, fazendo jus a uma política de “outreach” notável e exemplar, serve para qualquer pessoa com curiosidade.

Representa de forma simplificada um dos gigantescos conjuntos de dados que levou à descoberta do Bosão de Higgs, a partícula que faz parte do mecanismo de Higgs, revelador do Campo de Higgs.

É este campo de Higgs que aporta massa às partículas, quando estas interagem com este campo-força.

Visualização de 2 electrões ( a verde), de 1 a 2 muões (linhas vermelhas) resultante da colisão de 2 Bosões Z. Créditos: CERN

Os modernos detectores de partículas consistem de diversas camadas, cada uma concebida para procurar propriedades específicas, ou mesmo partículas específicas.

Os dispositivos de rastreamento revelam as trajectórias e os calorímetros param, absorvem e medem-lhes a energia.

Depois, os detectores de identificação de partículas recorrem a um leque de técnicas para especificarem a identidade da partícula analisada.


Dispositivos de Rastreamento

Estes dispositivos emitem pequenos sinais eléctricos que revelam, após análise computacional e não directamente, como se dum rastro de pegadas se tratasse, as trajectórias das partículas com carga eléctrica. Recorrem à interacção destas partículas com substâncias que lhe são sensíveis.

Os muões (um electrão mais pesado da geração II), por exemplo, interagem muito pouco com a matéria. Por esta razão, as câmaras de muões – que são dispositivos de rastreamento especializados na detecção de muões – usualmente constituem a camada exterior dum detector.


Calorímetros

Um calorímetro mede a energia que uma partícula perde quando o atravessa. Consiste tipicamente de camadas passivas e activas. As passivas podem ser construídas em chumbo e as activas dum meio como o vidro de chumbo sólido ou de árgon líquido.

Os calorímetros electromagnéticos medem a energia dos electrões e dos fotões quando estes interagem com as partículas com carga da matéria.

Os calorímetros hadrónicos recolhem amostras das energias dos hadrões quando estes interagem com os núcleos atómicos.

Os hadrões são partículas compostas por quarks, tais como o protão e o neutrão.

Os calorímetros conseguem deter todas as partículas conhecidas, excepto os muões e os neutrinos.


Detectores de Identificação de partículas.

Uma vez que uma partícula passou pelos dispositivos de rastreamento e pelos calorímetros, os físicos dispõem de 2 métodos adicionais para conhecerem a sua identidade.

Ambos funcionam pela detecção das radiações emitidas pelas partículas com carga eléctrica.

Quando uma partícula com carga atravessa um dado meio a uma velocidade superior à da luz nesse meio, emite radiação de Cherenkov num ângulo que depende da sua velocidade.

A velocidade pode ser calculada em função desse ângulo e então ser combinada com uma tomada de medida do momentum e assim se determinar a sua massa, logo a sua identidade.

Quando uma partícula com carga e rápida atravessa a fronteira entre dois isolantes eléctricos com diferentes resistências, ela emite radiação de transicção.

Este fenómeno está relacionado com a energia da partícula e pode assim distinguir diversos tipos.

Ao coligirem todas estas pistas sobre a identidade duma partícula, os físicos constroem uma imagem dos acontecimentos no detector quando ocorreu uma colisão.

O próximo passo é seleccionar os dados das colisões para se tentar encontrar partículas pouco comuns, ou para se acharem resultados que não condigam com as teorias em vigor.

O modelo-padrão deste fascinante mundo sub-atómico não teve até à data qualquer experiência que o refute, antes foi sempre confirmado, mas sabe-se que é um modelo tão correcto e preciso quanto incompleto dum Universo tão fascinante como multi-facetado.

Neste particular, e em jeito de conclusão, pode-se dizer que não há falta de mistérios por resolver, nem de Física por descobrir.

Como será constituída a matéria escura? Porque são umas forças mais intensas do que outras? O que aconteceu à anti-matéria? Que mecanismo faz o Universo expandir-se cada vez mais depressa? …

No futuro, descobriremos mistérios, só que essas descobertas costumam abrir novos mistérios.

Descobriu-se o Bosão de Higgs, mas será esta a única versão, terá ele “primos” mais pesados? Porque tem ele esta massa e não outra?
Ou como consegue o campo-força do Higgs permear, ser parte do tecido do Universo?

Sejam bem-vindos, por visita virtual, ao mundo das partículas sub-atómicas!

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