Por que o LHC tem 27 quilômetros de circunferência?

Stephen Hawking certa vez apontou que, se quiséssemos pular no tempo, ajudaria se tivéssemos uma máquina como o LHC que pudesse nos acelerar até quase a velocidade da luz. Sim senhor, o LHC é impressionante o suficiente para Hawking vê-lo como uma opção de transporte de viagem no tempo . E certamente não ganhou sua reputação à toa: o gigantesco acelerador de partículas ganhou suas listras quando nos deu evidências do bóson de Higgs em 2012 e 2013. Encontrar o Higgs no LHC basicamente confirmou o Modelo Padrão da física, que descreve o partículas e forças fundamentais do universo. Nenhuma pequena façanha.

É claro que "pequeno" não é um termo que costumamos associar ao LHC, ou à Organização Européia para Pesquisa Nuclear (CERN ). Considere o complexo de aceleradores do CERN, que é muito mais do que apenas o LHC. Se você simplesmente despejar prótons no LHC sem nenhum passo preliminar, não haveria muita experimentação para falar: você precisa não apenas acelerar os prótons antes que eles entrem no LHC, mas também concentrá-los em feixes densos. Para fazer isso, há alguns passos que precisam ser dados antes que eles partam para seu destino violento no LHC [fontes: LHC Facts , CERN ]:

E agora aqui estamos nós: no vasto Grande Colisor de Hádrons. Parece uma bela caverna de cristal. (Brincadeira, parece um túnel de metrô bem iluminado e obsessivamente limpo, com um cano gigante passando por ele.) Por que esses pequenos pedaços de matéria mínima precisam de um espaço tão grande para se movimentar?

A primeira resposta é um pouco anticlimática: começamos usando o LHC porque ele já estava lá. O CERN tinha um acelerador anterior (o Large Electron-Positron Collider) que inicialmente ocupava o espaço, e era tão grande para acomodar as colisões de (você adivinhou!) elétrons e pósitrons. Então, por que a LEP era daquele tamanho ou mesmo construída a 100 metros de profundidade?

Foi construído no subsolo por uma razão bastante básica: provou-se mais barato simplesmente escavar um túnel do que comprar terra e mitigar os impactos ambientais [fonte: CERN ]. (Também precisava ter um pouco de inclinação para minimizar os custos resultantes da colocação de eixos verticais.) Mas o motivo pelo qual o LEP tinha uma circunferência tão ampla chega ao cerne do motivo pelo qual o LHC também precisa de um cais largo: o senhora precisava de um bom conjunto de curvas.

As curvas arredondadas do LHC são necessárias para essa aceleração que é tão importante para nossos amigos de partículas. Tudo começa com as leis do movimento de Newton , que dizem que uma partícula (ou qualquer coisa, para esse assunto - sem trocadilhos) viajará a uma velocidade constante, a menos que uma força aja. O que isto significa? Essa partícula viajará em linha reta na mesma velocidade, a menos que haja algo usado para acelerá-la.

E esse "algo" é a curva do acelerador circular. Ao contrário de um acelerador linear - onde as partículas viajam em linha reta - um acelerador circular permite que as partículas obtenham energia a cada volta [fonte: The Particle Adventure ]. (Os enormes ímãs que orientam os prótons não estão adicionando energia, mas o campo elétrico está aumentando a aceleração.) Um acelerador circular permitirá que os prótons girem e giram, ganhando energia, ao mesmo tempo em que permite que as partículas colidam em vários pontos. -- um acelerador linear, é claro, teria apenas um ponto de colisão, bem no final.

Responder por que o LHC é circular pode não parecer ter nada a ver com seu tamanho, mas está relacionado. Uma pista de corrida menor para os prótons significaria que eles precisariam acelerar mais para acomodar as curvas mais fechadas e perderiam mais energia - e, portanto, a colisão não seria tão forte [fonte: Butterworth ]. Portanto, um raio grande é necessário para obter a energia das partículas alta o suficiente para acelerar e criar colisões.

E não pense que todos os cientistas estão satisfeitos com o tamanho do atual LHC. Há sérias considerações sendo feitas para construir uma pista de 62 milhas (100 quilômetros) que fornecerá um curso ainda mais energético para colisões de partículas [fonte: Pease ]. Tenha em mente que quanto maior a energia alcançada, mais massivas as partículas que podem ser encontradas - uma maneira importante de identificar novas partículas pesadas e indescritíveis [fonte: Reich ].

Nota do autor: Por que o LHC tem 27 quilômetros de circunferência?

Claro, é meio fora do assunto, mas acho que todos nós queremos saber: o que aconteceria se tropeçamos no LHC enquanto os feixes de prótons estivessem fazendo sua mágica? Ninguém tem certeza, mas é um palpite muito bom que você teria um buraco explodindo em seu corpo, e talvez um cone de impacto de explosão de prótons também.

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