Fellipy Gonçalves

Igor Rezende

Bruno Santana

Física de partículas e o LHC

profº Jan Carlos

Salvador-2010

Sumário

1.Introdução

2.Aceleração de partículas no LHC

3 .Condições de funcionamento

4.Campo magnético toroidal

5.Partículas conhecidas

6.Física de partículas e a medicina

7.Conclusão

8.Fontes

1.Introdução

A física de partículas é um ramo da física que estuda a física microscópica,ou melhor, os constituintes elementares da radiação e da matéria, além das suas interações e aplicações.

A grande Organização de estudos da física de particulas, hoje , é a Organização Européia para Pesquisa Nuclear-CERN. Esta organização é um dos maiores centro de física do mundo e é responsável por muitas tecnologias que encontramos hoje, como por exemplo, a internet.

O laboratório CERN fica na fronteira Franco-Suíça, perto de Genebra. Seus estudos são direcionados a física fundamental e eles detêm das maiores tecnologias conhecidas hoje para estudo científico das partículas fundamentais, com o objetivo de descobrir de onde o Universo surgiu, de que ele é composto e como ele funciona.

O marco do CERN é a construção do LHC- Large Hadron Collider que tentará provar na prática a existência do Bóson de Higgs- a partícula de Deus, a única partícula que falta para que os cientistas possam justificar a composição material do universo.

Esta pesquisa está dividida em 5 atividades solicitadas pelo professor de física do IFBA Jan Carlos Lapa para nota da 4 ª unidade e o material disponibilizado está acessível por meio da internet.

2.Aceleração de partículas no LHC

O LHC- Large Hadron Collider- é o maior e mais potente acelerador de partículas do mundo e encontra-se no CERN. Consiste, principalmente, de um canal de 27km de imãs supercondutores com várias estruturas aceleradoras para aumentar a energia das partículas ao longo do percurso.

No interior do LHC são colocadas dois feixes de partículas com velocidades aproximadas da velocidade da luz, com grande quantidade de energia antes da colisão e que viajam em direções opostas e em dois tubos separados mantidos em ultra vácuo. Os feixes são guiados ao redor do anel do acelerador por um grande campo magnético gerado por imãs supercondutores. Os imãs são refrigerados a aproximadamente – 271ºC por um sistema de distribuição de gás hélio liquido (principalmente), essa refrigeração é feita para que aja uma supercondução, visando a quase nula resistência do sistema e a não desenergização, visto que tais imãs são construídos a partir de bobinas de cabos elétricos especiais que são muito eficiente no estado de supercondução.

São milhares de imãs de diversos tamanhos e variedade utilizada para guiem os feixe, para se ter uma idéia são 1.232 imãs bipolares de 15 m de comprimentos-utilizados para dobrar as vigas- 392 imãs quadripolares variando de 5 a 7m de comprimento para focar os raios e ainda existem outro tipo de imã que literalmente são utilizados para aproximar( “espremer”) os feixes e aumentar as chances de colisão. Estes imãs utilizados para “espremer” os feixes são colocados próximos aos detectores de partículas e são colocados em 4 pontos, ou seja, ocorrem 4 colisões e estas próximas aos detectores de partículas para obter o resultado dos choques e as partículas obtidas visando a descoberta do Bóson de Higgs.A colisão destas partículas é tão difícil que chegam a comparar com a colisão duas agulhas lançadas em direções opostas a uma distância de 10km. Toda a infra-estrutura do LHC está sobre o mesmo teto do centro de controle do CERN e as tecnologias são lá mesmo criadas.

3.Condições de funcionamento

Para que o LHC funcione ele necessita de uma supercondutividade dos imãs e de um ultra vácuo dentro dos dois tubos por onde os feixes serão lançados. Para que se tenha uma supercondutividade é necessária uma temperatura muito baixa, pois segundo essa propriedade física e intrísica a certos materiais quando submetidas a temperaturas muito baixa certos materiais conduzem corrente sem resistência e sem perda. Assim a temperatura dos grandes imãs do LHC é de aproximadamente – 271 ºC e como já dito anteriormente ela é atingida com um sistema de resfrigeração com distribuição de hélio superliquefeito e quando comprimimos uma gás e eles se liquefazem sua temperatura é fica muito baixa.

Na questão do ultra vácuo, a pressão do ar na operação do LHC é de 10 -13 pascal, uma pressão muito baixa e considerada um ultra vácuo. Um comparação é com a pressão do ar na lua que é de10 -12pascal. A necessidade deste ultra vácuo é para evitar a resistência do ar e colisões dos feixes com outras partículas contidas no ar.

4.Campo magnético toroidal

Toroide é um solenóide em forma de anel, onde seu núcleo pode ser de ar ou de material ferromagnético(geralmente o núcleo é feito de ferrite). Observe o tóroide na figura 4.11 abaixo.

A densidade do campo magnético no interior das espiras (no núcleo) da toróide é determinado pela fórmula:

Onde o campo (B) é igual a permeabilidade magnética( mi) multiplicada pelo numero de espiras das bobinas toroidais( N) e pela corrente que passa no toroide (I),e tudo isso dividido por duas vezes pi vezes o raio médio do toroide (r).

Assim utilizando a regra da mão direita obtemos o sentido das linhas do campo do toróide que ficam confinadas no seu núcleo como mostra a figura 4.13 abaixo.

5.Partículas conhecidas

As Partículas conhecidas pela física hoje são muitas, algumas ainda são hipotéticas, mas os cientistas estão buscando encontra-lás como no caso do Bóson de Higgs no futuro experimento com o LHC. No modelo Padrão nos temos 12 partículas elementares e 12 anti-matérias, no entanto hoje já se fala em um modelo standard na qual foram incluídas novas partículas, inclusive menores que as elementares do modelo padrão.

No modelo padrão temos as partículas elementares:

Primeira Geração

  • Elétron: e-

  • Neutrino do elétron: νe

  • Quark up: u

  • Quark down: d

Segunda Geração

  • Muon: μ-

  • neutrino do muon: νμ

  • Quark charmoso: c

  • Quark estranho: s

Terceira Geração

  • Tau: τ-

  • neutrino do tau: ντ

  • Quark top: t

  • Quark bottom: b

E as antiparticulas:

Primeira Geração

  • Pósitron: e+

  • elétron-antineutrino: 

  • anti-quark up: 

  • Anti-quark down: 

Segunda Geração

  • muon positivo: μ+

  • muon-antineutrino: 

  • anti-quark charmoso: 

  • anti-quark estranho: s

Terceira Geração

  • Tauon positivo: τ+

  • tauon-antineutrino: ντ

  • anti-quark top: 

  • anti-quark bottom: 

Já no modelo standard nos temos as particulas elementares e dentro delas foram adicionadas partículas subatômicas como mostram as tabelas abaixo.

Partículas elementares

Bóson

Existência

Espín

Carga EM

Carga de calor

Interação

Massa

(Mev/c²)

Fotón

confirmada

1

Neutra

Neutra

eletromagnética

0

Bosón W

confirmada

1

+- 1

Neutra

fraca

80.000

Bóson Z

confirmada

1

Neutra

Neutra

fraca

91.000

Gluón

confirmada

1

Neutra

cor+anticor

forte

0

Gravitón

hipotética

2

Neutra

Neutra

gravitacional

Bóson de Higgs

hipotética

0

Neutra

Neutra

massa

Axión

hipotética

1

Neutra

Neutra

fermions

Nome

Espín

Carga EM

Carga Fraca

Carga de calor

Massa

(Mev/C²)

leptón

Electrón

+1/2

-1

-1/2

0

0,51

Muón

+1/2

-1

-1/2

0

105,00

Tauón

+1/2

-1

-1/2

0

1.777,00

Neutrino electonico

+1/2

0

+1/2

0

<3E-6

Neutrino muonico

+1/2

0

+1/2

0

<0,18

Neutrino tauonico

+1/2

0

+1/2

0

<18,00

Quark

up

+1/2

+2/3

+1/2

RGB

~5

charm

+1/2

+2/3

+1/2

RGB

~1.200,00

top

+1/2

+2/3

+1/2

RGB

>170.000

down

+1/2

-1/3

-1/2

RGB

~10

strange

+1/2

-1/3

-1/2

RGB

~100

bottom

+1/2

-1/3

-1/2

RGB

~4.200

Partículas Subatômicas

Hádrons

Nome

Estável

Espín

Confinamiento

Massa

(Mev/C²)

inteiro

Quark

+antiquark

Pión carregado

139

Pión neutro

136

Kaón carregado

493

Kaón neutro

497

D carregado

1800

B carregado

5200

Upsilon

9400

Bárions

fracionado

3 quarks

protón

sim

938

neutron

sim

940

delta

1232

ômega

2600

Xi doble

3500

Lambda inferior

5600

6.Física de partículas e a medicina

Na década de 1920 começaram a construir os aceleradores de partículas com o objetivo de descobrir estruturas não visíveis a olho nu mas que por sua vez formavam tudo que existe no mundo. Hoje já se conhece uma diversidade de partículas elementares.

Mas em que a física de partículas influenciou na medicina? Na verdade em muitas coisas influenciando principalmente na imagiologia e na terapia.

Nas partículas para imagiologia podemos falar em Raio-X e em tomografia de emissão de positrões.

O raio-X foi descoberto em novembro de 1895 porWilhelm ConradRöntgen. Um mês depois ele retirou a primeira radiografia no braço de sua esposa. Hoje em dia a radiografia é muito utilizada e faz parte de um leque de exames médicos, principalmente para identificar fraturas e luxações.

A tomografia de emissão de positrões o paciente entra em uma capsula onde recebe radiação de positrões, é um tipo de tecnologia que foi desenvolvida pelo CERN e pelo Geneva Cantonal Hospital que é a tecnologia radiofarmacêutica, onde radiofármacos,(materiais radioativos) se administram aos doentes. As partículas emitidas como resultado do decaimento destas substâncias são detectadas e analisadas. No caso da tomografia de positrões  um radiofármaco que emite positrões, as antipartículas dos electrões, é administrado ao doente. Quando se dá a emissão de positrões, estes são rapidamente aniquilados com electrões no corpo do doente. Este processo liberta dois raios gama que são detectados, revelando o local exato onde a aniquilação se deu , permitindo aos médicos conhecerem com precisão as fronteiras da localização do radiofármaco, sendo assim possível verificar se tudo está a funcionar apropriadamente. A detecção se dá por detectores de partículas.

Em relação a terapia a física de partículas teve grande importância na radioterapia, ainda mais com a maior expectativa de vida, que por conseqüência fazem cada vez mais o aparecimento de crancos em pacientes mais velhos.

A radioterapia é um tratamento comum aplicado a mais de metade de todos os cancerosos. É uma forma de cirurgia biológica onde o bisturi é substituído por uma pequenina partícula capaz de esterilizar as células malignas por supressão do DNA que permite a sua multiplicação daquelas.

A forma mais comum de radioterapia utiliza raios X ou electrões de um acelerador linear semelhante, mas muito menor, ao acelerador que fornece feixes de partículas ao LEP (Large Electron-Positron collider) do CERN. Os feixes de raios X ou electrões têm como alvo o tumor e a sua energia é controlada por forma a que o alcance seja o suficiente para apenas atingir as células cancerosas.

Têm-se ainda as terapias de neutrões que é mais cara no entanto os aceleradores de sincrotrão também podem ser utilizados para produzir radiofármacos.E a terapia de hadrões que emitem protões a vantagem dos protões é que eles depositam toda a sua energia num único local. Assim a terapia de hadrões é ideal para o tratamento de tumores que se situam perto de órgãos sensíveis e onde um erro pode ser fatal. Em laboratórios de física no Canadá, França, Alemanha, Japão, Rússia, África do Sul, Suécia, Suíça, Reino Unido e EUA, já têm sido feitos tratamentos com sucesso através da terapia de hadrões, utilizando aceleradores cujo principal papel é o da investigação.

7.Conclusão

A física de partículas embora tenha criado tecnologias para se detectar as partículas elementares e comprovarem a existência de partículas formadoras das matérias do Universo acabou contribuindo para o avanço da tecnologia tanto industrial, doméstica (internet) quanto medicinal - com suas influências em tratamentos e exames.

8.Fontes

http://www.fisica.ufs.br/CorpoDocente/egsantana/elecmagnet/magnetico/cMagnetico.html#Campo magnético producido por un toroide( acessado em 21/11/2010);

http://pt.wikipedia.org/wiki/Supercondutividade( acessado em 21/11/2010);

http://fu2re.wordpress.com/tag/lhc( acessado em 21/11/2010);

http://pt.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsica_de_part%C3%ADculas( acessado em 21/11/2010);

http://www.lip.pt/outreach/oldweb/brochures/accelmed_pt.html( acessado em 21/11/2010);

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=pt-BR&sl=en&u=http://public.web.cern.ch/public/en/LHC/HowLHC-en.html&prev=/search%3Fq%3Dcern%26hl%3Dpt-BR%26prmd%3Dnl&rurl=translate.google.com.br&usg=ALkJrhgHQUK3XYyPtYOLuuhUYAMwXCNUNQ( acessado em 21/11/2010);

http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0103-84782003000100007&script=sci_arttext( acessado em 21/11/2010);

http://www.molwick.com/pt/materia/570-particulas-elementares.html( acessado em 21/11/2010);

http://pt.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsica_de_part%C3%ADculas( acessado em 21/11/2010);

http://www.infoescola.com/fisica/boson-de-higgs/( acessado em 21/11/2010);

http://www.scribd.com/doc/37231127/Montasgem-a-Terminar-Eletromagnetismo-10setembro( acessado em 21/11/2010);

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