A máquina colossal de 27 quilômetros de circunferência escondida a 100 metros de profundidade que recria o início do Universo

Sob cidades, estradas e campos na fronteira entre França e Suíça existe uma máquina tão grande que seu túnel completa um círculo de aproximadamente 27 quilômetros. O Grande Colisor de Hádrons acelera partículas a velocidades extremamente próximas à da luz e as faz colidir em pontos específicos, permitindo que cientistas investiguem condições semelhantes às que existiram nos primeiros instantes do Universo.

Por que o Grande Colisor de Hádrons precisou ser construído a cerca de 100 metros de profundidade?

O LHC ocupa um túnel circular subterrâneo originalmente construído para outro acelerador do CERN. Em boa parte do percurso, a instalação fica aproximadamente 100 metros abaixo da superfície, embora a profundidade varie conforme o relevo. A posição subterrânea oferece estabilidade para equipamentos extremamente sensíveis e mantém uma enorme infraestrutura científica afastada das atividades realizadas na superfície.

Dentro desse anel existem tubos de feixe, sistemas de vácuo, quilômetros de cabos, instalações criogênicas e milhares de equipamentos responsáveis por controlar partículas invisíveis. Em vez de funcionar como uma única peça mecânica, portanto, o acelerador é um conjunto gigantesco de sistemas interligados espalhados por quilômetros entre território francês e suíço.

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O que acontece quando o Grande Colisor de Hádrons começa a acelerar partículas?

Os prótons não entram diretamente no anel principal em velocidade máxima. Antes disso, passam por uma cadeia de aceleradores menores que aumenta sua energia progressivamente. Somente depois eles chegam ao LHC, onde circulam em dois feixes que viajam em sentidos opostos dentro de tubos separados mantidos sob um vácuo extremamente elevado.

O processo envolve uma sequência de operações extraordinariamente precisas.

• Produção e preparação dos prótons
• Aceleração em máquinas menores
• Injeção dos feixes no LHC
• Aumento progressivo da energia
• Focalização dos feixes
• Colisão em pontos determinados
• Registro das partículas produzidas

Um vídeo oficial publicado pelo CERN apresenta o projeto do Large Hadron Collider, mostra sua enorme infraestrutura subterrânea e explica como os feixes são acelerados antes de chegar aos grandes detectores. O material ajuda a visualizar uma máquina que, apesar dos 27 quilômetros de circunferência, permanece quase completamente escondida de quem passa pela superfície.

Como o Grande Colisor de Hádrons consegue deixar partículas tão próximas da velocidade da luz?

Campos elétricos aumentam a energia das partículas, enquanto gigantescos ímãs superconductores controlam sua trajetória. Isso é essencial porque prótons extremamente energéticos tenderiam a seguir em linha reta. Para mantê-los circulando dentro de um anel, o LHC precisa criar campos magnéticos muito intensos capazes de curvar constantemente seus caminhos.

Conforme recebem energia, os prótons chegam tão perto da velocidade da luz que aumentar ainda mais sua energia praticamente não produz uma diferença perceptível na velocidade. Em vez disso, aumenta principalmente sua energia relativística. Quando dois feixes viajando em sentidos opostos são direcionados um contra o outro, uma quantidade extraordinária de energia fica concentrada em uma região microscópica.

Por que partes dessa máquina precisam ficar mais frias que o espaço sideral?

Os grandes ímãs responsáveis por conduzir os feixes trabalham em estado supercondutor. Para atingir essa condição, eles precisam funcionar a aproximadamente 1,9 kelvin, equivalente a cerca de -271,3 °C. Essa temperatura fica abaixo dos aproximadamente 2,7 kelvin da radiação cósmica de fundo normalmente associada à temperatura do espaço profundo.

A explicação técnica do CERN sobre o resfriamento do LHC mostra que o anel de 27 quilômetros precisa dessa temperatura extrema para que seus ímãs permaneçam superconductores e consigam produzir os poderosos campos magnéticos necessários para guiar e focalizar os feixes que circulam quase à velocidade da luz.

Como colisões microscópicas conseguem revelar acontecimentos dos primeiros instantes do Universo?

É importante não interpretar a frase “recriar o início do Universo” literalmente. O LHC não produz outro Big Bang nem reconstrói o Universo inteiro dentro de seu túnel. Em determinadas colisões, principalmente aquelas realizadas com núcleos pesados, os cientistas conseguem produzir por períodos extremamente curtos condições de temperatura e densidade semelhantes às existentes poucos microssegundos depois do Big Bang.

Nessas condições pode surgir o chamado plasma de quarks e glúons, um estado extraordinário da matéria no qual essas partículas fundamentais apresentam um comportamento diferente daquele observado na matéria comum. Estudando o que acontece durante e imediatamente depois dessas colisões, pesquisadores obtêm pistas sobre como a matéria evoluiu no Universo primordial.

Por que a maior máquina científica do mundo ainda precisa de detectores gigantes ao redor das colisões?

Colidir partículas é apenas metade do trabalho. Depois do impacto, diversas novas partículas podem surgir e desaparecer em períodos incrivelmente pequenos. Por isso, experimentos gigantes como ATLAS, CMS, ALICE e LHCb ficam posicionados em pontos específicos do anel para registrar os rastros, energias e trajetórias deixados pelos produtos das colisões.

Foi analisando uma quantidade gigantesca desses eventos que as experiências ATLAS e CMS anunciaram, em 2012, a descoberta de uma nova partícula compatível com o bóson de Higgs. A conquista revelou o verdadeiro propósito da máquina escondida sob a Europa: não recriar um Universo inteiro, mas produzir condições extremas e controladas nas quais as menores peças conhecidas da matéria possam revelar como a natureza funciona.

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