Enterrada a até 175 metros sob o solo e equipada com um túnel circular de 27 quilômetros, esta estrutura foi construída para acelerar partículas quase à velocidade da luz e fazer feixes colidirem com precisão microscópica
Ímãs supercondutores, hélio a 1,9 kelvin e sistemas de focalização mantêm bilhões de prótons alinhados no enorme anel subterrâneo do CERN
Na fronteira entre França e Suíça, dois feixes de prótons percorrem milhares de voltas por segundo dentro de tubos quase completamente vazios. O Grande Colisor de Hádrons usa milhares de ímãs, temperaturas próximas do zero absoluto e sistemas de controle extremamente precisos para manter essas partículas em trajetórias opostas até fazê-las colidir nos grandes detectores do CERN.
Como o Grande Colisor de Hádrons cabe em um túnel de 27 quilômetros?
O LHC ocupa um túnel circular com circunferência exata de aproximadamente 26,7 quilômetros, originalmente construído para o acelerador LEP. Dependendo do trecho, essa estrutura subterrânea fica entre cerca de 50 e 175 metros abaixo da superfície, atravessando a região próxima de Genebra.
Em seu interior existem dois tubos separados, mantidos em ultralto vácuo. Os prótons circulam em sentidos opostos e completam aproximadamente 11.245 voltas por segundo. Como estão praticamente na velocidade da luz, aumentar sua energia já não produz um crescimento relevante da velocidade, mas principalmente de sua energia relativística.
Como os prótons são acelerados até quase a velocidade da luz?
Os prótons não começam sua jornada diretamente no LHC. Antes, passam por uma cadeia de aceleradores menores do CERN. Depois de serem injetados no anel principal, cavidades de radiofrequência aplicam campos elétricos sincronizados que aumentam progressivamente a energia dos pacotes de partículas.
O sistema depende de vários componentes trabalhando em conjunto:
- Cavidades de radiofrequência que aumentam a energia.
- Tubos com ultralto vácuo para reduzir colisões com moléculas de gás.
- Ímãs dipolares que curvam a trajetória.
- Ímãs quadrupolares que concentram os feixes.
- Colimadores que interceptam partículas que se afastam da trajetória ideal.
Este vídeo explica diretamente como o Grande Colisor de Hádrons acelera partículas, mantém os feixes circulando e produz colisões dentro do anel subterrâneo.
Por que o Grande Colisor de Hádrons precisa de ímãs supercondutores?
Prótons extremamente energéticos tenderiam a continuar em linha reta. Para obrigá-los a percorrer um círculo de apenas 27 quilômetros, o LHC utiliza 1.232 grandes ímãs dipolares, cada um com cerca de 15 metros, capazes de produzir campos magnéticos de aproximadamente 8,3 tesla.
Há também centenas de quadrupolos que focalizam os feixes. Pouco antes das colisões, ímãs especiais comprimem os pacotes de partículas, aumentando a probabilidade de dois prótons passarem suficientemente próximos para interagir. A precisão necessária é comparada pelo próprio CERN a disparar duas agulhas separadas por quilômetros e fazê-las encontrar-se no meio do caminho.
Por que os ímãs precisam funcionar a quase 271 graus negativos?
As bobinas dos principais ímãs utilizam materiais supercondutores que precisam operar a aproximadamente 1,9 kelvin, equivalentes a -271,3 °C. Nessas condições, conseguem conduzir correntes elétricas muito elevadas praticamente sem resistência, permitindo produzir campos magnéticos intensos sem o aquecimento que ocorreria em condutores convencionais.
| Característica | Valor aproximado |
|---|---|
| Circunferência | 26,7 km |
| Temperatura dos dipolos | 1,9 K |
| Energia por feixe | 6,8 TeV |
| Voltas por segundo | 11.245 |
O resfriamento utiliza hélio superfluido e forma um dos maiores sistemas criogênicos já construídos. Segundo o CERN, cerca de 23 quilômetros do acelerador são mantidos nesse regime extremamente frio para que os ímãs trabalhem de forma estável.
Como os feixes permanecem alinhados antes da colisão?
Os prótons não circulam como uma fileira contínua. Eles são agrupados em milhares de pacotes, cada um contendo aproximadamente 160 bilhões de partículas no início de uma operação típica. Sistemas magnéticos monitorados constantemente mantêm esses pacotes concentrados e corrigem desvios ao longo do anel.
Nos pontos de interação, quadrupolos de focalização comprimem os feixes ainda mais. As colisões ocorrem em posições determinadas dentro dos detectores ATLAS, CMS, ALICE e LHCb. Colimadores espalhados pelo acelerador também absorvem partículas que abandonam a trajetória correta antes que possam atingir componentes sensíveis.
O que acontece quando as partículas finalmente colidem?
Durante a operação atual de alta energia, cada feixe de prótons pode alcançar 6,8 TeV, resultando em colisões com energia total de 13,6 TeV. ATLAS e CMS podem registrar condições correspondentes a cerca de 1,5 bilhão de colisões por segundo, embora apenas uma pequena fração dos eventos seja selecionada para armazenamento e análise detalhada.
Essas colisões não servem simplesmente para “quebrar prótons”. A energia disponível pode produzir outras partículas, permitindo investigar propriedades fundamentais da matéria. Foi justamente nesse ambiente que os experimentos ATLAS e CMS encontraram, em 2012, evidências do bóson de Higgs, transformando o gigantesco túnel subterrâneo em uma ferramenta para estudar escalas muito menores que qualquer microscópio consegue alcançar.
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