O que realmente acontece durante uma colisão no LHC?

É menos parecido com uma colisão e mais com uma sinfonia.

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Colaboração ATLAS.

Por Sarah Charley
Publicado na Symmetry Magazine

O Large Hadron Collider é definitivamente grande. Com uma circunferência de mais de 27km, é o maior colisor do planeta. Mas a última palavra de seu nome é um pouco enganadora. Isso porque o que colide no LHC são as pequenas partes dentro dos hádrons, não os próprios hádrons.

Os hádrons são partículas compostas feitas de quarks e glúons. Os glúons carregam a força forte, o que permite que os quarks permaneçam unidos e os liga em uma única partícula. A forração principal do LHC são hádrons chamados prótons. Os prótons são compostos por três quarks e um número indefinível de glúons (os prótons, por sua vez, compõem os átomos, que são os blocos de construção de tudo o que nos rodeia).

Se um próton fosse ampliado ao tamanho de uma bola de basquete, ficaria vazio. Assim como os átomos, os prótons são principalmente espaço vazio. Os quarks e glúons individuais dentro são conhecidos por serem extremamente pequenos, menos de 1/10.000º do tamanho de todo o próton.

“O interior de um próton parece ser a atmosfera ao seu redor”, diz Richard Ruiz, teórico da Universidade de Durham. “É uma mistura de espaço vazio e partículas microscópicas que, para todos os efeitos, não possuem volume físico.

“Mas se você colocar essas partículas dentro de um balão, você verá o balão se expandir. Embora as partículas internas sejam microscópicas, elas interagem entre si e exercem uma força em seus arredores, produzindo inevitavelmente algo que tem um volume observável”.

Então, como você colide dois objetos que são efetivamente espaço vazio? Você não pode. Mas, felizmente, você não precisa de uma colisão clássica para desencadear o potencial total de uma partícula.

Na física de partículas, o termo “colidir” pode significar que dois prótons se aproximam um do outro, e seus componentes fundamentais passam tão próximos que podem interagir um com o outro. Se suas vozes forem suficientemente altas e ressoarem do jeito certo, elas podem alcançar campos ocultos profundos que irão cantar sua própria melodia em resposta – produzindo novas partículas.

“É muito parecido com a música”, diz Ruiz. “O universo inteiro é uma sinfonia de harmonias complexas que chamam e respondem umas às outras. Podemos produzir facilmente os tons médios, que seriam como fótons e múons, mas algumas dessas notas são tão altas que requerem uma enorme quantidade de energia e condições muito precisas para ressoar”.

O espaço é permeado de campos dormentes que podem expandir brevemente uma partícula em existência quando vibrada com a quantidade certa de energia. Estes campos desempenham papéis importantes, mas quase sempre funcionam nos bastidores. O campo de Higgs, por exemplo, está sempre interagindo com outras partículas para ajudá-las a ganhar massa. Mas uma partícula de Higgs só aparecerá se o campo tiver a ressonância certa.

Quando os prótons se encontram durante uma colisão do LHC, eles se separam e os quarks e glúons são liberados. Eles interagem e puxam mais quarks e glúons fora do espaço, eventualmente formando um banho de hádrons de rápido movimento.

Esta simbiose subatômica é executada pelo LHC e registrada pelo experimento, mas não está restrita ao ambiente laboratorial; as partículas também são aceleradas por fontes cósmicas tais como remanescentes de supernova. “Isso acontece em todo o universo”, diz Ruiz. “O LHC e suas experiências não são especiais nesse sentido. Eles são mais como uma grande sala de concertos que fornece energia para abrir e gravar a sinfonia dentro de cada próton”.

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