Bóson de Higgs. Afinal, ele existe?

A FOTO DE HIGGS: A simulação do choque de partículas no LHC. Desde 2010, já foram 360 trilhões de colisões para tentar detectar o Bóson de Higgs

A busca pela última partícula que constitui a matéria pode estar no fim, afirmam físicos do Cern.

(Peter Moon)

Os físicos sabem tudo sobre o Bóson de Higgs, exceto se ele existe, disse certa vez o alemão Rolf-Dieter Heuer. Diretor da Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear (Cern), Heuer tinha razão – e ainda tem. Após duas semanas de um desassossego crescente que estremeceu as hostes da comunidade dos físicos de partículas, cientistas que passam a vida imaginando como seriam as interações entre as peças constituintes da matéria, centenas de pesquisadores se reuniram no dia 13 num auditório na sede do Cern, em Genebra, na Suíça. Tanto eles como outros milhares de estudiosos espalhados pelo mundo, que assistiam a tudo pela internet, queriam saber se, após meio século de buscas, o fugidio Bóson de Higgs, a última partícula cuja existência precisa ser verificada para comprovar as teorias que explicam a matéria, fora finalmente encontrado. “Sim. Não. Talvez. Possivelmente” foram as palavras repetidas à exaustão por Heuer e pelos físicos italianos Fabiola Gianotti e Guido Tonelli. eles dizem haver uma grande chance de Higgs ser finalmente identificado em algum momento de 2012 e chamam os próximos 12 meses de trabalho de “promissores”. Gianetti e Tonelli são responsáveis, respectivamente, pelos experimentos Atlas e CMS, dois detectores gigantes enterrados em lados opostos do túnel de 27 quilômetros de circunferência onde está o Grande Colisor de Hadrons (LHC), o mais poderoso (e caro, pois custou 10 bilhões de euros) acelerador de partículas.

Se o tal Bóson de Higgs não foi achado, por que o estardalhaço? A resposta está nas entranhas do átomo – e na necessidade dos cientistas de justificar o investimento feito até agora. Na escola se aprende que os átomos são formados por um núcleo, em torno do qual orbitam elétrons, e que esse núcleo é composto de prótons e nêutrons. Só na faculdade, dependendo do curso, somos apresentados às partículas da fauna subatômica. Todas foram previstas em teoria e detectadas no espaço ou em choques de átomos em aceleradores de partículas. Todas foram achadas, menos a tal Bóson de Higgs, cuja função é  teórica é dotar as partículas de massa. Sua existência foi prevista em 1964, pelo inglês Peter Higgs e cinco outros pesquisadores.

O Bóson de Higgs é a última peça não detectada do Modelo Padrão, um castelo teórico que tem se provado a explicação mais convincente para entender as propriedades do universo. Quando – e se – Bóson de Higgs for mesmo encontrado, a descoberta comprovará o Modelo Padrão. A existência do Bóson de Higgs explicará então por que todas as coisas têm massa e são como são – desde estrelas e planetas até um carro ou uma cadeira.

Jamais será possível isolar o Bóson de Higgs. Só se pode detectar sua presença nos estilhaços dos choques de partículas no LHC. Ao analisar 360 trilhões de colisões desde 2010, as equipes dos experimentos Atlas e CMS observaram “vislumbres” do Bóson de Higgs, cuja massa é estimada em 125 vezes a massa de um próton. Para ter a certeza de que o Bóson de Higgs lá se esconde, é preciso concentrar as buscas em um altíssimo nível de energia – e torcer para que, apesar da crise econômica, os cofres da União Europeia não fechem, garantindo o bilhão de euros anuais que o LHC consome. Com sorte, o anúncio da semana passada garantirá o orçamento em 2012 para que os cientistas detetives continuem em sua busca.

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Einstein caiu do cavalo?

Os neutrinos que teriam ultrapassado a velocidade da luz em setembro podem ter derrubado a teoria mais brilhante da humanidade? Não. Mas eles talvez façam bem mais do que isso.

Texto: Alexandre Versignassi
 

Até outro dia, a velocidade da luz era o limite. Nada no universo poderia ir mais rápido do que  1,08 bilhões de km/h. Agora não, pelo menos para alguns cientistas do Cern, um dos melhores centros de pesquisa do mundo. No dia 22 de setembro, eles anunciaram que a luz pode ter perdido o trono. Tinham mandado um feixe de neutrinos do laboratório do Cern, na Suíça, para outro, na Itália. Foi uma viagem de 732 quilômetros por baixo da terra, o que não é problema: os neutrinos atravessam pedra do mesmo jeito que uma bala de revólver passa por neblina. Os neutrinos foram de Genebra até Rom a em 2,43 milésimos de segundo. Chegaram 60 bilionésimos de segundo antes do que se tivessem viajado à velocidade da luz. Mas.. e daí? Qual é o problema de aluz ter perdido a “liderança” no ranking de coisas mais rápidas?

Tem um baita problema. A velocidade da luz não é como a velocidade de qualquer outra coisa. ela é a base da Teoria da Relatividade, que em ultima instância explica como o mundo funciona. Vejamos então como funciona o mundo.

Einstein formulou a Relatividade em 1905 porque estava diante de um desafio à lógica. Os físicos do século 19 tinham verificado um fenômeno além da imaginação: raios de luz pareciam fugir de quem se atrevesse a persegui-los. Se você ligar uma lanterna, estará lançando um feixe de luz (fotons) a 1,08 bilhões de km/h. Com isso em mente, imagine outro cenário: você com a lanterna de um lado e o Sebastian Vettel com o F-1 dele do outro. Lanterna e Vettel alinhados no grid para uma corrida numa reta sem fim. E é dada a largada.

Vettel chega a 300 km/h numa piscada. Pouco para os 1,08 bilhões de km/h da luz que sai da sua lanterna. Mas vamos da uma colher de chá e dizer que, aqui, o Red Bull do rapaz chegue a 1 bilhão de km/h. Sebastian acelera e vê o velocímetro chegar a 1,0799 km/h. ele está quase emparelhado com o raio de luz. Então resolve dar uma olhadinha para o lado só para conferir. O que o alemão enxerga?

Pelo senso comum, ele veria o raio quase parado. Mas não. Vettel veria o raio quase parado. Mas não vê. Vettel observaria a luz rasgando o espaço a 1,08 bilhão de km/h. Como se sua Red Bull estivesse parada… Não faz sentido. Mas é verdade.

Os físicos do século 19 sabiam  disso. E os estudantes mais aplicados também. Era o caso de Albert Einstein. Aos 16 anos, em 1985, ele se imaginou na mesma posição em que Vettel estava neste texto – como alguém disputando um racha contra um raio de luz. Einstein sabia que o raio se comportaria como se estivesse fugindo. Mas por quê? Por quê?

Dez anos depois ele encontrou a explicação: quanto mais rápido você corre, mais devagar o tempo passa dentro do seu corpo – e mais rápido fora do seu corpo. Quando se aproxima da velocidade da luz, você veria o mundo à sua volta acontecer em fast forward, em câmera acelerada. Isso, grosso modo, ajuda a explicar por que a luz sempre parece  estar a 1,08 bilhão de km/h para o nosso Vettel. Mas por que, então, nem o Vettel imaginário tem como ultrapassar a velocidade da luz? Por causa daquela regra, a de que quanto mais rápido você corre, mais lentamente o tempo passa. Os cálculos de Einstein sobre a desaceleração do tempo mostram que, se você chegar à velocidade da luz, o tempo deixa de passar. Zera. É como se o tempo fosse a gasolina da velocidade. E essa gasolina acaba no momento em que você atinge 1,08 bilhão de km/h. Ponto. Mas e os neutrinos? Segundo medições do Cern eles conseguiram o que o nosso Vettel jamais conseguiria: ultrapassaram a velocidade da luz. Einstein estava errado, então? Dificilmente. A Relatividade tem quase 100 anos de comprovações experimentais nas costas. É mais fácil que errado esteja o pessoal do ern mesmo (outros cientistas vão repetir o experimento). Mas e se a comprovação vier?

Tudo bem: uma das possibilidades é que isso prove oura teoria: a de que existem mais dimensões além das 3 que a gente conhece. Os neutrinos poderiam ter pego um “atalho” numa delas – coisa que permitiria chegar à Itália mais rápido do que um raio de luz, mas sem ultrapassar a velocidade da luz. isso não violaria nenhum principio da Relatividade – da mesma forma que as teorias de Einstein não violaram as de Newton, só aprimoraram. É assim que a ciência anda. Seja como for, uma comprovação da supervelocidade dos neutrinos traria um problema novo e inesperado para a ciência. um desafio à lógica tão grande quanto aquele que inspirou o Einstein adolescente. Um desafio que talvez só teremosd como resolver com a ajuda de um novo Einstein. As vagas estão abertas.

Potência & torque

Você aí que tem o costume de ler revistas ou visitar sites sobre automóveis e motocicletas, já deve ter lido lá no meio das matérias, o cara escrever sobre a potência e o torque do veículo. Mas qual a diferença? Quais fatores contribuem para um motor ter mais torque ou mais potência?

POTÊNCIA

Segundo a física clássica: “potência é aquantidade de energia liberada por uma fonte durante uma unidade de tempo”. Deixando aquele monte de termos técnicos e frases indecifráveis de lado, vamos às analogias: Imagine que você está numa pista de atletismo e que irá disputar uma prova de 100 metros rasos contra Usain Bolt. Advinhe quem vai ganhar? Bolt, eu acho. E tudo porque durante aquele ontervalo de tempo entre o disparo da largada e a chegada, ele conseguirá liberar mais energia (potência) do que você. E ele consegue isto, graças à sua musculatura.

Motor BMW SauberNo mundo dos automóveis e motocicletas, acontece o mesmo, ganha aquele que tiver o motor mais capacitado, mais potente. Mas neste caso, quem garante a capacidade dos motores, não são músculos, mas sim cilindros, capacidade volumétrica (cilindrada) e principalmente giros do motor. Esta última afirmação é comprovada pela Fórmula 1. Quando a FIA reduziu o “tamanho” dos motores para 2.4 litros e restringiu o número de cilindros a oito, os engenheiros das equipes correram buscar uma forma de se conseguir mais potência com estes motores menores, e a solução, foi aumentar os giros dos motores. Mais RPM = maior potência. Os motores chegaram a incríveis 20.000 rpm e a potência voltou à marca dos 780 hp. Mas em 2009, a FIA restringiu os giros a “apenas” 18.000 rpm. Veja na imagem abaixo, a comparação entre dois carros com motores bem semelhantes:

Mais giros, mais potência

Ambos têm motores com 16 válvulas de abertura variável, mas a vantagem do Honda está em sua capacidade de girar mais vezes por minuto (quase o dobro) e assim gerar  maior potência (também quase o dobro). Ainda não se convenceu? Então vamos à fórmula física:

, que traduzida diz que potência é igual ao torque (T) multiplicado pela rotação do motor (n) sobre 60.75. Ou seja, a potência depende do torque (força) e rotações do motor.

TORQUE

Se potência é a velocidade com que um trabalho é realizado (energia x tempo), torque é a quantidade de força aplicada a este trabalho. A física diz: “o torque é definido a partir da componente perpendicular ao eixo de rotação da força aplicada sobre um objeto que é efetivamente utilizada para fazer ele girar em torno de um eixo ou ponto central, conhecido como ponto pivô ou ponto de rotação”. Ou seja, é a intensidade da força aplicada a uma alavanca que faz um eixo girar. E é o que acontece nos motores: a mistura ar+combustivel explode no cilindro, joga o pistão para baixo e este faz o virabrequim girar e este transmite esta força para as rodas. Veja isto na animação ao lado: a força (torque) que o pistão  irá entregar ao virabrequim vai depender de duas coisas: 1) da intensidade da explosão na câmara de combustão e do peso do próprio pistão.

Isto explica o fato de existirem tantas arquiteturas diferentes para os motores e como isto influencia em seu desempenho. Veja a figura abaixo a comparação entre duas motocicletas com motores bem diferentes:


Agora considere alguns fatos:

1) a KTM apesar de ter um motor 50% maior (990 cc contra 600 cc), mas gera menos potência (104 hp contra 133 hp) do que a  Yamaha.

2) A Yamaha é mais potente, mas tem 30% menos torque do que a KTM (7 kgmf contra 10,6 kgmf)

3) Fora deste contexto, podemos incluir ainda que motores equipados com turbocompressores têm boa faixa de torque a baixos giros.

E agora considere as respostas para estes fatos:

1) a KTM tem um motor maior , mas com volume distribuido em apenas 2 cilindros de 495 cc cada. Já a Yamaha tem motor de 600 cc dividido em 4 cilindros com 150 cc cada um. Se considerarmos que os pistões são feitos do mesmo material, chegaremos à conclusão de que um pistão de 495 cc da KTM é bem mais pesado do que um pistão de 150 cc da Yamaha e sendo assim, o maior peso do cilindro resultará em maior inércia, menos giros por minuto, ao contrário dos cilindros pequenos e leves da Yamaha, que girarão mais rápido e garantirão maior potência.

2) se por um lado os pistões mais pesados da KTM representam menos giros e menor potência, por outro lado este mesmo peso irá resultar em maior força (maior torque). É só imaginar o pistão como um martelo que exerce um golpe, e óbviamente um martelo feito com 495 cc de alumínio golpeará com mais força do que um martelo (pistão) de 150 cc de alumínio. É por isto que o torque da KTM aparece a apenas 6.750 rpm e a Yamaha tem que gritar a 14.500 rpm para mostrar sua força, porque seus martelos (pistões) são muito leves.

3) No caso dos motores turbo, o maior torque se dá por conta da explosão mais intensa dentro da câmara de combustão. O turbocompressor comprime mais ar-combustível na câmara e com isto a explosão é mais intensa, repelindo o pistão com mais força (torque). Os motores turbo-diesel seguem as duas teorias a do peso do pistão (motores diesel tem pistões mais reforçados e pesados devido à maior temperatura em que trabalham) e também à maior intensidade das explosão da combustão, já que trabalham com turbocompressor e maior taxa de compressão para gerar ignição sem uso de velas.

POTÊNCIA DO SER HUMANO

Calma, não tem a ver com aquela potência relacionada ao Viagra, mas à potência em watts que um corpo humano pode gerar: em média 100 W, variando entre 85 W (0,12 hp) durante o sono e 800 W (1,07 hp) durante prática de esportes. E ciclistas profissionais tiveram medições de 2000 W (2,68 hp) de potência realizada para curtos períodos de tempo.

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Fontes:

http://en.wikipedia.org/wiki/Formula_One

http://carros.uol.com.br/ultnot/2010/03/16/toyota-corolla-20-supera-o-18-em-muito-mais-que-02.jhtm

http://www.supercars.net/cars/3216.html

Apocalypse now?

Pecadores! Arrependei-vos, pois o fim do mundo está próximo!!!

Pelo menos é o que dizem alguns cientistas contrários à experiência a ser realizada no LHC. Bom pra começar LHC é a sigla em inglês para Grande Colisor de Hadrons: um acelerador de partículas enterrado num túnel com 24km circunferência entre a França e a Suíça. Foram gastos 3 bilhões de euros em sua construção. E quanto à polêmica experiência, seria acelerar prótons a velocidades impensáveis em direções contrárias. O choque entre eles geraria luminosidade suficiente para que os cientistas enxergassem a tal partícula Boson de Riggs, o que teóricamente seria a partícula elementar que formaria o universo e de quebra encontrar novas dimensões do espaço. Procuram também a Super Simetria, que explicaria a massa e as fraquezas da gravidade.

LHC, em busca da Grande Explosão

LHC, em busca da Grande Explosão

E quanto ao fim do mundo? Bem segundo a turma do contra, o equipamento poderia gerar um buraco negro que acabaria por destruir a Terra. Ou então de que poderia ocorrer o aparecimento de strange quarks, que numa reação em cadeia,  transformaria toda a matéria em nosso planeta em matéria estranha, seja lá o que for isso. Mas para os cientistas da turma do oba-oba, tudo isto é absurdo, já que se um buraco negro fosse criado dentro do LHC, ele duraria apenas 0,0000000000000000000000000001 segundo, e seria milhões de vezes menor do que um grão de areia. E mesmo que continuasse estável, ele continuaria a viajar na velocidade da luz (300.000 km/s) se não desaparecesse e em menos de um segundo atravessaria as paredes do LHC e se afastaria em direção ao espaço. Para se manter na Terra, seu ritmo teria que cair para “apenas” 15km/segundo e ganhar massa. Com o tamanho de um próton, ele conseguiria encontrar outro próton a cada 200 horas. Para chegar à massa de um miligrama, levaria mais tempo do que a idade atual do universo. =-