CERN, LHC e Física Contemporânea: uma síntese elaborada a partir da Escola de Professores no CERN em Língua Portuguesa 2010

## CERN, LHC e Física Contemporânea: uma síntese elaborada a partir da Escola de Professores no CERN em Língua Portuguesa 2010

## Marta Maximo Pereira

CEFET/RJ - UnED Nova Iguaçu e Programa de Pós-Graduação Interunidades em Ensino de Ciências (IF/USP), martamaximo@yahoo.com

## Resumo

O presente trabalho consiste numa síntese dos conhecimentos construídos durante a Escola de Professores no CERN em Língua Portuguesa 2010, realizada com a participação de professores de Ensino Secundário de Portugal, Cabo Verde, Moçambique e São Tomé e Príncipe e de professores brasileiros de Ensino Médio. Ele tem por objetivo apresentar de forma suscinta e clara a estrutura do CERN (Organização Européia para Pesquisa Nuclear) e suas instalações; explicar o que é, para que serve e como funciona o LHC (Grande Colisor de Hádrons); descrever os experimentos que aí são realizados e que tipo de Física se faz a partir desse colisor. Vale lembrar que este trabalho não aporta nenhum novo conhecimento à Física de Partículas e ao Modelo Padrão, que tudo que será mencionado aqui já é do conhecimento da comunidade mundial de físicos e cientistas em geral e está disponível de forma bastante esparsa pela Internet e outros meios de divulgação científica. Contudo, a grande maioria das pessoas, que estão fora dos meios acadêmicos científicos, têm comumente muito poucas fontes seguras de conhecimento sobre o tema e pouco acesso a elas. Assim, pensamos que a pertinência deste trabalho reside no fato de tentar ser uma contribuição aos professores de Ensino Médio e demais interessados em ciência no sentido de esclarecer questões de interesse sobre o CERN e o LHC de forma didática e simples, a partir da compreensão de quem esteve lá e participou dos cursos e visitas técnicas disponibilizadas. Pretendemos, desse modo, auxiliar na formação de docentes em Física Contemporânea e possibilitar que, por meio deles, a Física do século XXI chegue aos alunos de Ensino Médio não só pelos meios de comunicação de massa, mas na forma de conhecimento cientificamente construído em sociedade.

Palavras-chave : CERN, LHC, Física Contemporânea, Ensino Médio

## Introdução

Uma discussão presente de modo bastante atual na área de ensino de Física está relacionada à importância da inserção de temas mais atuais de Física nas aulas dessa disciplina no Ensino Médio (BORGES, OSTERMANN e MOREIRA, 2003; MONTEIRO e NARDI, 2007). Contudo, as pesquisas apontam que os professores apresentam dificuldades na introdução da Física Moderna e Contemporânea em suas salas de aula devido a diferentes fatores (MONTEIRO, NARDI e BASTOS FILHO, 2009). Entre eles, destacamos sua formação universitária, que, em geral, não contempla muitas disciplinas em que a Física Moderna seja abordada de forma consistente, nem momentos em que sejam discutidas concepções epistemológicas, metodologias e propostas didáticas para a inserção desses temas em sala de aula. Além disso, como o conhecimento científico e sua divulgação avançam nos dias de hoje de forma muito acelerada, os professores devem atualizar-se permanentemente para darem conta das demandas

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30 de janeiro a 04 de fevereiro de 2011

dos alunos, de sua curiosidade e necessidade de compreender as informações sobre ciência com as quais são 'bombardeados' todos os dias através dos meios de comunicação.

Nesse sentido, sabemos que, em Física, um dos maiores e mais importantes centros de pesquisa da atualidade é a Organização Européia para Pesquisa Nuclear, conhecida como CERN, sigla em francês para Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (em português, Conselho Europeu para Pesquisa Nuclear ), onde se encontra o LHC ( Large Hadron Collider , em português, Grande Colisor de Hadróns ). Desse colisor podem vir importantes contribuições para a confirmação de teorias já existentes e/ou construção de outras no que diz respeito aos conhecimentos necessários para a compreensão tanto do mundo subatômico como da origem e formação do Universo.

Esse tema tem sido bastante divulgado e explorado pela mídia, aguçando ainda mais a natural curiosidade de nossos alunos (e do ser humano em geral) de saber sobre questões tão básicas da ciência, mas, ao mesmo tempo, tão complexas e desafiadoras para a mais moderna física que tem sido feita nos dias de hoje. Nesse contexto, o professor de Física adquire um papel fundamental como referência ou 'porto seguro' tanto para os alunos como para toda a comunidade escolar, pois é visto como uma fonte segura e confiável do novo conhecimento, sendo capaz de esclarecer questões polêmicas ou não completamente compreendidas por eles. Ainda que não compartilhemos a ideia de que o professor é o detentor de todo o conhecimento, não há como negar que ele tem (ou deveria ter) um grande interesse em saber mais sobre o tema e um bom embasamento físico em sua formação que lhe permitisse compreender o funcionamento do LHC, seus objetivos e a Física que está por trás de seus experimentos e que pode ser construída a partir deles.

No entanto, ainda são esparsas e pouco sistemáticas as informações que chegam ao professor, tanto pela Internet como pela mídia, já que se trata de estudos bastante recentes, cujos primeiros artigos científicos em revistas especializadas começaram a ser submetidos em 2008 (THE ATLAS COLLABORATION, 2008; CMS COLLABORATION, 2010). Além disso, tais trabalhos são, de modo geral, pouco acessíveis ao professor, pois se referem a experimentos particulares e seus resultados preliminares, centrando-se apenas em um determinado aspecto a ser estudado. Desse modo, esses artigos não fornecem um panorama amplo do LHC como um todo, o que não auxilia o professor a compreender como ele funciona, quais são suas partes e experimentos principais e em que Física está baseado.

Em 2009, pensando na capacitação dos professores em Física Contemporânea, a Sociedade Brasileira de Física (SBF) e o Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF) conseguiram que alguns professores de Ensino Médio brasileiros fossem ao CERN participar da Escola de Professores no CERN em Língua Portuguesa , coordenada pelo LIP (Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas) junto ao CERN. A Escola tem por objetivo capacitar docentes para que os mesmos introduzam em suas aulas conhecimentos sobre o LHC e tópicos de Física de Partículas Elementares, parte da Física que está por trás dos experimentos aí realizados.

Essa excelente iniciativa de complementar a formação do professor em temas de Física Contemporânea e avançada no CERN, além de permitir-lhe vivenciar o dia a dia de trabalho em um grande centro de pesquisa, possibilita que

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ele conheça também a estrutura do LHC e seus experimentos, através das visitas às suas instalações, que ocorrem paralelamente aos cursos.

No presente ano fomos contemplados com a seleção para a Escola de Professores no CERN em Língua Portuguesa 2010 , que foi organizada e dinamizada pela Secretaria para Assuntos de Ensino da SBF com apoio do CBPF. Nossa ida e hospedagem foram financiadas pelo Departamento de Educação Básica da CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior) e pelo Departamento de Popularização e Difusão da Ciência e Tecnologia do MCT (Ministério de Ciência e Tecnologia).

Após uma semana de intensos estudos, visitas técnicas e permanente troca de informações, conhecimentos e experiências com 45 professores de Ensino Secundário de Portugal, 5 de Moçambique, 1 de Cabo Verde, 1 de São Tomé e Príncipe e com 20 professores brasileiros de Ensino Médio, foi possível perceber e compreender os princípios de funcionamento do LHC e aprofundar e atualizar conhecimentos em Física de Partículas. Assim sendo, pensamos que nós, que tivemos a oportunidade de participar dessa iniciativa, devemos divulgar e compartilhar com os demais professores brasileiros de Ensino Médio os conhecimentos lá construídos como forma de alargar o alcance de ação da Escola e ajudar na formação continuada de nossos colegas docentes.

## Objetivos

Por tudo isso, o presente trabalho tem por objetivo apresentar de forma suscinta e clara a estrutura do CERN e suas instalações; explicar o que é, para que serve e como funciona o LHC; descrever os experimentos que aí são realizados e que tipo de Física se faz a partir desse colisor. Pensamos ser esta uma forma de fazer chegar aos professores de Física do Ensino Médio e, por intermédio deles, aos alunos, um pouco mais de conhecimento sobre o principal centro de pesquisa do mundo nesta ciência na atualidade.

A maior parte dos conhecimentos que aqui serão mencionados foram construídos durante os cursos e visitas técnicas que realizamos no CERN e em interação com os colegas professores participantes da Escola . Muitas dessas informações também estão disponíveis, de modo geral, em sites da Internet, pois os cursos de divulgação e capacitação de professores oferecidos pelo CERN e a rede mundial de computadores, lá mesmo criada em 1990, são as duas fontes básicas e primárias de informação de que nós, professores, atualmente dispomos. Dada a atualidade da Física que está sendo gerada no LHC, ela ainda não se encontra em livros de forma sistematizada.

Devido à extensão deste trabalho, não será possível realizar uma revisão de conhecimentos de Física de Partículas e do Modelo Padrão das Partículas Elementares, necessários à completa compreensão dos assuntos aqui tratados. Contudo, sempre que citarmos algum aspecto dessas teorias, procuraremos informar, através de referências bibliográficas acessíveis a professores de Ensino Médio, fontes complementares de explicações sobre o tema. Vale lembrar também que não pretendemos contribuir para o avanço da Física de Partículas nem para o desenvolvimento do Modelo Padrão, mas sim tentamos sistematizar o conhecimento atual sobre o LHC e pretendemos servir de fonte de informação e de divulgação

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mais próxima de professores de Ensino Médio e também do público em geral interessado em ciência.

## CERN: de onde veio, o que é e para onde vai

O CERN (Organização Européia para Pesquisa Nuclear) é um dos maiores e mais respeitados centros de pesquisa científica do mundo na atualidade. CERN é a sigla em francês para Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Conselho Europeu para Pesquisa Nuclear), um órgão provisório fundado em 1952 com o objetivo de estabelecer uma organização de pesquisa em Física fundamental na Europa. Naquela época, a investigação em Física pura estava centrada na compreensão do interior do átomo, daí a palavra nuclear .

Quando a Organização nasceu oficialmente, em 1954, o Conselho foi dissolvido e à nova organização foi dado o título a Organização Européia para a Pesquisa Nuclear , ainda que o nome CERN tenha se mantido.

- O CERN capacita e treina cientistas e engenheiros, atua na formação de pesquisadores, é responsável pelo desenvolvimento de novas tecnologias e, mais que tudo, une pessoas de diferentes países e culturas em torno de um objetivo comum, que é ampliar as fronteiras de até aonde vai o conhecimento científico humano.

Seu objetivo principal é o estudo da Física fundamental, ou seja, é descobrir de que o Universo é feito e como ele funciona. Nos dias de hoje, a nossa compreensão da matéria é muito mais profunda do que em nível nuclear, e a principal área de investigação desse centro é o estudo dos constituintes básicos da matéria - as partículas elementares - e das forças que atuam entre elas. Devido a isso, o laboratório operado pelo CERN é comumente chamado de Laboratório Europeu de Física de Partículas .

No CERN, os maiores e mais complexos instrumentos científicos são utilizados para se estudar o que acontece quando essas partículas colidem, pois é por meio dos resultados dessas colisões que os físicos aprendem sobre as leis da Natureza.

## LHC: a Física que dá sentido à sua construção e seus objetivos

Sabemos que as partículas que constituem a matéria e que são responsáveis por mediar as interações fundamentais da natureza são tão infinitamente pequenas que é impossível observá-las com um microscópio, muito menos a olho nu, pois suas dimensões são muito menores do que o comprimento de onda da luz visível. Essa explicação foi elaborada no início do século XX, quando descobriu-se que essas partículas em movimento podem se comportar como ondas em determinados experimentos (dualidade onda-partícula, ver NUSSENZVEIG, 1998) e que os comprimentos de onda dessas partículas tornam-se menores com o aumento da energia. Isso significa que, para estudar detalhes na escala do um bilhão de vezes menor que o visível, precisamos dar às partículas energias um bilhão de vezes maiores do que as energias típicas do mundo macroscópico. Este constitui o

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princípio básico de como um acelerador pode ser usado para medir o mundo subatômico. Nessa escala de tamanho, 'ver' significa detectar um sinal, observar um rastro luninoso, medir a energia. Assim, os aceleradores são usados para aumentar a energia das partículas antes da colisão e, desse modo, tornar os resultados visíveis indiretamente usando detectores.

Acelerar partículas a altas energias também nos permite ver as partículas que geralmente se transformam em outras, mais estáveis, muito rapidamente, pois possuem um tempo de vida muito curto para que possam ser observadas a baixas velocidades. Esse fenômeno é explicado pela Relatividade Especial de Einstein (ver NUSSENZVEIG, 1998), segundo a qual quando alguma coisa se move com velocidade próxima à da luz, seu tempo parece passar mais devagar. Este efeito é desprezível em velocidades cotidianas, mas, para uma partícula viajando quase à velocidade da luz, o tempo passa lento o suficiente para que ela vá muito mais longe do que era esperado e possa ser detectada.

Os aceleradores impulsionam feixes de partículas a altas energias antes que eles colidam uns com os outros ou com alvos estacionários. As partículas resultantes de um evento de colisão deixam um rastro e depositam energia em um detector. O estudo dessas colisões é o principal objetivo do LHC, que foi projetado para encontrar evidências que permitam esclarecer as seguintes questões:

- a) a origem da massa das partículas elementares;
- b) a expansão acelerada do universo;
- c) a discrepância entre as medidas de massa de galáxias, aglomerados de galáxias e de todo o universo feitas com instrumentos e medições com base na massa da matéria visível que estes objetos contém;
- d) a existência de supersimetrias;

Iremos, agora, explicar brevemente cada um desses assuntos:

- a) De acordo com o Modelo Padrão das Partículas Elementares (ver ADBALLA, 2005; MOREIRA, 2007; MOREIRA, 2009), o bóson de Higgs seria a partícula responsável por gerar a massa de todas as partículas, inclusive a sua própria. Ela é a única partícula prevista pelo modelo que ainda não foi detectada. Sua detecção ajudaria a explicar a origem da massa no universo e o fato de os fótons (partículas mediadoras da interação eletromagnética) não terem massa, enquanto que os bósons W e Z (mediadores da interação fraca) a possuem.
- b) Uma explicação para as recentes observações e experimentos que evidenciam que o universo está se expandindo de forma acelerada é a existência da chamada energia escura. Essa forma hipotética de energia permearia todo o espaço e sua principal característica seria ter uma forte pressão negativa. De acordo com a teoria da relatividade, o efeito de tal pressão negativa seria semelhante, qualitativamente, a uma força que age em larga escala em oposição à força da gravidade, o que explicaria o aumento da taxa de expansão do universo.
- c) Para tentar explicar evidências observacionais de que as galáxias, aglomerados de galáxias e o universo como um todo contêm muito mais matéria do que aquela que interage com a radiação eletromagnética, foi postulada a

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existência da matéria escura, que só interage gravitacionalmente (ou interage muito pouco de outra forma), sendo, por definição, totalmente transparente à luz. Sua presença pode ser inferida a partir de efeitos gravitacionais sobre a matéria visível, como estrelas e galáxias

d) Supersimetria é uma simetria que relaciona uma partícula fundamental (com certo valor de spin) com outras partículas com spins diferentes por meia unidade. Ou seja, em uma teoria com supersimetria, para cada bóson existe um férmion correspondente com a mesma massa e mesmos números quânticos internos, e vice-versa (ver HELAYËL-NETO, 2005). A supersimetria é um conceito fundamental no projeto de construção de uma teoria de unificação dos quatro campos de força da natureza, associados às interações forte, fraca, eletromagnética e gravitacional. Até agora, só existem evidências indiretas para a existência de supersimetria, mas os experimentos realizados no LHC podem permitir a observação de parceiros supersimétricos das partículas do Modelo Padrão, os quais ainda não foram observados. O melhor candidato à matéria escura será a partícula supersimétrica mais leve, estável e produzida em grandes quantidades no Big Bang (teoria cosmológica dominante atualmente para explicar o desenvolvimento inicial do universo).

## LHC: estrutura geral e funcionamento

O LHC foi construído no CERN com o objetivo de possibilitar que colisões entre partículas aconteçam a energias extremamente elevadas, nunca antes atingidas pelos colisores que até então existiam.

Ele se situa em um túnel circular de 27 km de circunferência a cerca de 50 a 75 m abaixo do solo. Ele foi projetado especificamente para colidir dois feixes de prótons um contra o outro ou de íons pesados. As colisões próton-próton estão previstas para que aconteçam em uma energia máxima de 7 TeV por feixe. Em 30 de março de 2010 ocorreram as primeiras colisões com energia igual a 3,5 TeV por feixe (LHC, 2010a).

Tais feixes se movem dentro do anel do LHC guiados por ímãs que geram um campo magnético capaz de alterar a trajetória do feixe, encurvando suas trajetórias e fazendo-os percorrer toda a circunferência do anel. Esses ímãs são supercondutores à baixa temperatura, assim como os cabos por onde circula a corrente, a qual flui praticamente sem nenhuma resistência. Por isso, todo o anel do LHC é refrigerado por um grande sistema de criogenia até em torno de 4,5 K (LHC, 2010b).

Como a dissipação é praticamente nula, por conta da baixíssima temperatura em que o LHC se encontra, os feixes são armazenados a altas energias por horas. Alguns bilhões de prótons, cada um deles com velocidade igual a 99,9999991% da velocidade da luz, percorrem o anel do LHC 11000 vezes por segundo, gerando um bilhão de colisões por segundo e recriando, em pequena escala, as condições de uma fração de segundo após o Big Bang , a fim de compreender por que o Universo é como hoje se apresenta.

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## LHC: aceleradores e principais experimentos

Para acelerar as partículas antes da colisão, há no LHC aceleradores do tipo LINAC ( L inear P article A ccelerator , em português, Acelerador de Partículas Linear ), que, como seu nome indica, acelera as partículas de modo retilíneo, e também o PS ( P roton S ynchrotron , em português, Síncroton de Prótons ), que aumenta a velocidade de partículas subatômicas eletricamente carregadas ou íons de forma que descrevam uma trajetória circular ao serem aceleradas.

Para investigar os objetivos de pesquisa do LHC, há atualmente quatro experiências principais em funcionamento, a saber: ALICE, ATLAS, CMS e LHCb. A seguir explicaremos em que consiste cada uma delas.

ALICE ( A L arge I on C ollider E xperiment , em português, Experiência do Grande Colisor de Íons ) é um detector construído para o estudo da colisão entre íons pesados. Colisões de núcleos de chumbo são estudadas com energia do centro de massa de 2,76 TeV por núcleo. Além disso, pretende-se que sejam estudados também os hádrons, elétrons, múons e fótons (ver MOREIRA, 2009) produzidos nas colisões dos íons pesados. Espera-se que a temperatura resultante e a densidade de energia após as colisões sejam grandes o suficiente para gerar o plasma de quarks e glúons, uma fase da matéria em que quarks e glúons estão confinados. A existência dessa fase e suas propriedades são fundamentais para o desenvolvimento da Cromodinâmica Quântica (QCD, sigla em inglês para Quantum Cromodynamics ), teoria que explica a interação forte (ver MOREIRA, 2009).

ATLAS ( A T oroidal L HC A pparatu S , em português, Aparato Toroidal do LHC ) é um detector onde feixes de prótons colidem com energia do centro de massa de até 7 TeV. Os objetivos do detector ATLAS são: procurar o bóson de Higgs, partículas supersimétricas, dimensões extras e buracos negros; investigar por que a matéria do Universo é dominada por um tipo desconhecido de matéria, a matéria escura; redescobrir o quark top (ver MOREIRA, 2009) e pela primeira vez estudá-lo com precisão; realizar medidas mais precisas para completar o Modelo Padrão, como as da massa e do tamanho do bóson W.

CMS ( C ompact M uon S olenoid , em português, Solenóide Compacto de Múons ) é um detector de múons que permite também detecções de fótons, elétrons e hádrons e, pelas suas pequenas dimensões em comparação com o seu peso (daí o nome 'compacto'), a identificação de neutrinos. O solenóide do CMS é uma bobina de fio supercondutor que cria um campo magnético cerca de 100000 vezes maior que o da Terra quando passa corrente através do fio.

- O detector do CMS atua como um grande filtro em forma de 'cebola cilíndrica', pois é constituído de distintas camadas, cada uma projetada para parar e detectar os diferentes tipos de partículas mencionados acima, que podem emergir das colisões próton-próton e entre íons pesados. CMS foi projetado para medir propriedades de partículas previamente conhecidas com uma precisão sem precedentes e também está à procura de fenômenos completamente novos e imprevisíveis.

LHCb ( L arge H adron C ollider b eauty ), onde beauty se refere ao quark bottom (quark b), é um experimento desenvolvido para medidas precisas da violação da simetria CP (simetria de carga e paridade) e para o estudo de decaimentos raros de

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mésons com os quarks b e anti-b, um conjunto conhecido por méson b. Esse detector foi especificamente projetado para recolher estas partículas e o produto do seu decaimento. Ele estende-se por 20 m ao longo do tubo do LHC com os seus subdetectores dispostos um ao lado do outro, diferentemente do CMS.

Cada um dos sub-detectores do LHCb é especializado na medição de uma característica diferente das partículas produzidas pela colisão de prótons. Coletivamente, os componentes do detector são capazes de reunir informações sobre a identidade, a trajetória, o momento e energia de cada partícula gerada, e podem identificar partículas individualmente entre as bilhões que emergem a partir do ponto de colisão (LHCb, 2010). Essa detecção pode ser feita considerando-se o fenômeno da dilatação temporal, consequência da Relatividade Especial de Einstein, conforme explicado anteriormente neste trabalho. Esse efeito permite detectar o quark b, que se deteriora após apenas um picossegundo (um trilionésimo de segundo). A baixas velocidades, ele decai rapidamente e não viaja o bastante ao longo do detector para que possa ser observado. No entanto, quando acelerada até perto da velocidade da luz, a partícula percorre alguns milímetros extras, o suficiente para que o detector seja capaz de detectá-la.

Na Figura 1, podemos observar a localização dos detectores e aceleradores ao longo do LHC.

Figura 1: Detectores e aceleradores ao longo do anel do LHC. Na imagem, p e Pb indicam os LINACs 2 e 3, respectivamente.

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## Conclusões

Neste trabalho apresentamos, a partir dos estudos realizados no CERN durante a Escola de Professores no CERN em Língua Portuguesa 2010 , uma síntese com conhecimentos básicos sobre o CERN e o LHC. Esperamos que esta sistematização ajude professores de Ensino Médio a terem contato com questões atuais em Física de Partículas e seja um estímulo para que esses temas, cada vez mais presentes nos meios de comunicação, cheguem até nossos alunos na forma de conhecimento científico construído histórica e socialmente, despertando neles o interesse pela ciência.

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## Referências bibliográficas

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