O que 'luminosidade' significa na física de partículas?

 Caros Leitores;

Crédito: Sandbox Studio, Chicago / Ariel Davis

Mesmo nos dias mais quentes e secos, os raios do sol são muito fracos para acender um fogo. Mas com uma lupa (ou, em alguns casos infelizes, um enfeite de jardim de vidro), você pode concentrar a luz do sol em um feixe forte o suficiente para acender o pavio.

No Large Hadron Collider, os cientistas aplicam esse mesmo princípio ao focalizar feixes de prótons (ou às vezes íons pesados) antes de passá-los pelos quatro pontos de colisão do acelerador . As colisões de partículas de alta energia permitem aos cientistas estudar as leis fundamentais da física e pesquisar novas partículas , campos e forças.

Ao focalizar firmemente os feixes de prótons antes de colidi-los, os cientistas podem aumentar rapidamente o número de eventos de colisão que precisam estudar.

Cientistas, engenheiros e técnicos do CERN e de todo o mundo - incluindo o Fermi National Accelerator Laboratory, o Brookhaven National Laboratory e o Lawrence Berkeley National Laboratory, juntos como parte do Programa de Atualização do Acelerador de Alta Luminosidade do LHC do Departamento de Energia dos EUA - estão construindo novos ímãs de foco, que comprimem os prótons em colisão em volumes ainda menores. Eles também estão projetando novos ímãs kicker, que irão alterar as trajetórias das partículas que chegam para ajudar os dois feixes a se encontrarem cara a cara no ponto de colisão.

No final da década de 2020, os cientistas vão ligar um LHC de alta luminosidade turboalimentado. A atualização aumentará o número total de colisões em potencial que os cientistas precisam estudar em pelo menos um fator de 10.

Por que luminosidade e não colisões?

Como você deve ter notado, quando os físicos falam sobre colisões de partículas, eles falam sobre uma medição chamada luminosidade . Não diz aos cientistas exatamente quantas colisões de partículas estão acontecendo dentro de um colisor; em vez disso, a luminosidade mede o quão compactadas as partículas estão nos feixes que se cruzam. Quanto mais apertado for o aperto, mais provável é que algumas das partículas colidam.

No HL-LHC, espera-se que 220 bilhões de prótons passem por outros 220 bilhões de prótons a cada 25 nanossegundos nas quatro interseções experimentais do acelerador. Mas a grande maioria dos prótons não irá interagir realmente uns com os outros. Mesmo com a melhor tecnologia de foco de feixe de hoje, as chances de um próton colidir com outro próton dentro do anel do LHC ainda são significativamente menores do que as chances de ganhar o Jackpot da Mega Millions.

Os prótons não são orbes sólidas que saltam, quebram ou se estilhaçam quando entram em contato uns com os outros. Em vez disso, eles são pacotes confusos de campos e partículas ainda menores chamadas quarks.

Dois prótons poderiam passar um através do outro, e há uma chance de tudo o que eles fariam é repetir aquela cena do filme Ghost em que o ator Patrick Swayze, interpretando o fantasma titular, enfia sua cabeça etérea em um trem em movimento - sem efeito. Você pode levar os prótons a uma colisão frontal, mas não pode fazê-los interagir.

Mesmo que dois prótons interajam, isso conta como uma colisão? Se dois prótons passarem um pelo outro e a onda de choque de seus campos eletromagnéticos se cruzarem ejetar alguns fótons, isso conta? E se um desses fótons dispersos mergulhar no coração de outro próton? E se dois prótons se roçassem e disparassem um monte de partículas, mas permanecessem intactos?

As colisões são complicadas. Então, os físicos falam sobre luminosidade.

Taxa de colisão

A taxa na qual as partículas são reunidas para colidir é chamada de "luminosidade instantânea".

"A luminosidade instantânea depende do número de partículas em cada feixe colidindo e da área dos feixes", diz Paul Lujan, um pós-doutorado na Universidade de Canterbury que trabalha em medições de luminosidade para o experimento CMS. "Um feixe de tamanho menor significa mais colisões potenciais por segundo".

Em 2017, os físicos do LHC alcançaram um novo recorde ao medir uma luminosidade instantânea de 2,06 x 10 34 por centímetro quadrado por segundo. (Multiplique o número de prótons em cada feixe e, em seguida, divida pela área do feixe - em centímetros quadrados - ao longo do tempo.)

"As unidades de luminosidade são um pouco não intuitivas", diz Lujan, "mas nos dão exatamente as informações de que precisamos".

Quando os cientistas carregam o LHC com um novo lote de partículas para colidir, eles os mantêm funcionando desde que os feixes estejam em boas condições, com partículas suficientes restantes para ter uma boa luminosidade instantânea.

Considerando que um preenchimento médio do LHC dura entre 10 e 20 horas, o número de colisões potenciais pode aumentar muito rapidamente. Portanto, os cientistas não se preocupam apenas com a luminosidade instantânea; eles também se preocupam com a "luminosidade integrada", quantas colisões potenciais se acumulam durante essas horas de funcionamento.

Não foi possível atingir o lado largo da porta de um celeiro

A diferença entre luminosidade instantânea e luminosidade integrada é a diferença entre "No momento estou dirigindo a 60 milhas por hora" e "Mais de dez horas, dirigi 600 milhas".

Para a luminosidade integrada, os físicos mudam de centímetros quadrados para uma nova unidade de área: o celeiro, uma referência ao idioma "Não foi possível atingir a lateral larga de um celeiro". Do ponto de vista de uma partícula subatômica, "o celeiro" é tão grande que seria difícil não perceber.

O celeiro foi inventado na década de 1940. Seu tamanho real - 10 a 24 centímetros quadrados - foi classificado até o final da Segunda Guerra Mundial. Isso porque é equivalente ao tamanho de um núcleo de urânio, um ingrediente chave na bomba atômica então desenvolvida.

O celeiro permaneceu por aí após a guerra e tornou-se uma forma padrão de medir a área na física nuclear e de partículas.

Falando em celeiros e uma unidade ainda menor igual a 10 -15 celeiros chamado de "femtobarn" -Permite físicos para tomar um número enorme e convertê-lo, transformando-o de algo muito tempo para escrever para fora no lado de um celeiro real em algo que caberia em um cartão postal.

Os físicos também usam femtobarns para medir a probabilidade de um processo subatômico, chamado de "seção transversal".

“Imagine uma luta de comida em uma lanchonete”, diz Lujan. "Podemos prever o número de pessoas que ficarão salpicadas com uma almôndega perdida [uma" interação de almôndega ", se preferir] com base no número de pessoas presentes, a área e as dimensões do refeitório, quanto tempo a luta de comida dura [ que pode ser usado para calcular a "luminosidade integrada" de todas as interações possíveis, incluindo as interações com almôndegas], bem como a probabilidade desse processo específico [a "seção transversal" de uma interação com almôndegas]".

Para testar as leis da física, os físicos comparam suas previsões sobre a probabilidade de certos processos com o que eles realmente veem na prática.

Com a atualização do HL-LHC, os cientistas estão aumentando o número de prótons, diminuindo o diâmetro dos pontos de colisão e alinhando melhor as trajetórias dos prótons. Todas essas mudanças ajudam a aumentar a probabilidade de que os prótons interajam uns com os outros ao cruzarem as interseções do LHC. O aumento do número de oportunidades de colisão ajudará os físicos a encontrar e estudar processos e partículas raros que são essenciais para a compreensão das leis fundamentais da física.

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Colisão de prótons de frente

Fornecido pelo Laboratório Nacional de Brookhaven

Fonte: Phys News / por Sarah Charley, Laboratório Nacional Brookhaven / 03-02-2021

https://phys.org/news/2021-02-luminosity-particle-physics.html

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HélioR.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).Participou do curso de Astrofísica, concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).

Autor do livro: “Conhecendo o Sol e outras Estrelas”.

Membro da Society for Science andthePublic (SSP) e assinante de conteúdoscientíficos da NASA (NationalAeronauticsand Space Administration) e ESA (European Space Agency).

Participa do projeto S`CoolGroundObservation (Observações de Nuvens) que é integrado ao Projeto CERES (CloudsandEarth´sRadiant Energy System) administrado pela NASA.A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica Brasileira (SAB), como astrônomo amador.

Participa também do projeto The GlobeProgram / NASA GlobeCloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela NationalOceanicandAtmosphericAdministration (NOAA) e U.S DepartmentofState.

e-mail: heliocabral@coseno.com.br
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Fonte: Phys News / por Sarah Charley, Laboratório Nacional Brookhaven  / 03-02-2021