Sete anéis. O anel 1 é o LHC real, o anel 2 segue um estudo real do CERN e, a partir do anel 3, os anéis são ficção futurista.
Expandir custa bósons de Higgs. Isso zera dados, melhorias e estoques de partículas, mantém o códex e as partículas míticas, aumenta o rendimento de forma permanente em ×1,6 por anel, eleva o limite de energia e adiciona ao elenco as partículas do novo anel. Cada anel traz exatamente uma nova mecânica.
PROF. QUARK
“Nova mecânica: após a expansão, a luminosidade começa no nível 1, e o feixe colide sozinho desde já. A expansão zera dados e melhorias; o códex e os achados míticos ficam, e o rendimento sobe permanentemente para ×1,6.”
O novo anel não começa do zero. O anel anterior fica dentro dele como um pré-acelerador totalmente montado e congelado, e injeta o feixe com cerca de um quinze avos da energia que você costuma alcançar no novo anel, como o SPS real (450 GeV) alimenta o LHC (7 TeV). Cada nível de feixe então constrói o novo anel mais um pouco.
Grandes aceleradores não começam do zero: um anel menor leva antes o feixe à energia de injeção. O SPS alimenta o LHC com prótons de 450 GeV, e o LHC os eleva a 7 TeV, cerca de quinze vezes mais. Para o FCC, o LHC seria o pré-acelerador, com cerca de 3,3 TeV, e o anel novo chegaria a cerca de 50 TeV. O SPS fica dentro do círculo do LHC, mas perto da borda, em Meyrin; duas linhas de transferência curtas (TI 2 e TI 8) injetam tangencialmente os dois feixes do LHC, um em cada sentido. O plano do FCC coloca o LHC do mesmo modo na borda do anel de 91 km.
PROF. QUARK
“O anel anterior (Anel do LHC) agora serve de pré-acelerador, como no CERN o SPS, que alimenta o LHC com 450 GeV. Por isso o seu feixe começa em 375,8 GeV, cerca de um quinze avos do que este anel alcança. Cada nível de feixe constrói o anel novo um pouco mais, de forma visível.”
1
No início da cadeia, o Linac 4 acelera íons negativos de hidrogênio a 160 MeV; na injeção no Booster, os elétrons deles são arrancados, restando prótons. Uma linha reta não precisa de ímãs defletores e por isso não emite luz síncrotron.
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O Booster é formado por quatro anéis empilhados de 157 m de circunferência. Ele leva os prótons a 2 GeV e agrupa os pacotes para que o síncrotron seguinte possa ser preenchido.
3
O PS entrou em operação em 1959: 628 m de circunferência, prótons até 26 GeV, até hoje o centro de distribuição do CERN. Ele forma os pacotes com o espaçamento de 25 ns de que o LHC precisa depois.
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O SPS mede quase 7 km de circunferência e acelera prótons a 450 GeV antes que entrem no LHC. Em 1983, operado como colisor próton–antipróton, ele descobriu os bósons W e Z. Duas linhas de transferência levam os feixes tangencialmente ao anel principal.
O detector em volta do ponto de colisão é montado em camadas. Cada nível de subdetector adiciona material visível, das camadas de vértice por dentro às câmaras de múons por fora.
No centro passa o tubo de feixe em ultra-alto vácuo (cerca de 10⁻¹⁰ mbar), para que os prótons não se espalhem em átomos de gás; no detector ele é feito de berílio, que quase não freia as partículas. Aqui os pacotes em sentidos opostos se cruzam, e só uma pequena fração dos prótons colide de fato.
Todas as colisões acontecem aqui. A energia do feixe decide quais partículas podem se formar.
A camada mais interna, de pixels de silício, fica a poucos centímetros do ponto de colisão. Ela mede os traços com precisão de poucos micrômetros e encontra de onde eles partem. Partículas como os hádrons B ou o tau voam de uma fração de milímetro até milímetros antes de decair – um vértice secundário deslocado as denuncia.
Reforça partículas com decaimento deslocado: τ, J/ψ, hádrons B, top, LQ e N.
Tiras e pixels de silício medem a trajetória de partículas carregadas em muitos pontos. Um campo magnético (CMS 3,8 T, ATLAS 2 T) curva as trajetórias: o raio dá o momento, p ≈ 0,3 · B · r (p em GeV/c, B em tesla, r em metros), e o sentido da curvatura dá o sinal da carga. Partículas neutras não deixam traço.
Reforça partículas carregadas que deixam traços: π, K, p, W e partículas carregadas pesadas.
Uma bobina supercondutora produz um campo paralelo ao eixo do feixe (CMS 3,8 T, ATLAS 2 T). Nele, as partículas carregadas se movem em arcos: quanto maior o momento, mais reta a trajetória. Ela é resfriada com hélio líquido a cerca de 4,5 K.
A bobina cresce com a melhoria do campo magnético, que também fortalece os dipolos do anel.
Elétrons e fótons iniciam em material denso um chuveiro de elétrons, pósitrons e fótons, até que toda a energia seja absorvida e medida (ATLAS: chumbo e argônio líquido; CMS: cristais de tungstato de chumbo). O bóson de Higgs também foi encontrado em 2012 por decaimentos em dois fótons.
Reforça o elétron, o fóton, o Higgs e outras partículas que depositam sua energia aqui.
Hádrons como píons, prótons ou nêutrons iniciam cascatas pela interação forte em aço ou latão (ATLAS ou CMS); assim o calorímetro mede a energia de jatos inteiros. Neutrinos e múons passam quase sem ser vistos.
Parte da melhoria “Calorímetro”: a camada hadrônica a partir do nível 3.
Os múons são cerca de 200 vezes mais pesados que os elétrons, irradiam pouco e por isso atravessam tudo o que está antes. É por isso que os tubos de deriva e as câmaras ficam do lado de fora: o que ainda dá sinal ali é quase sempre um múon. Decaimentos como Z → μμ são, assim, especialmente fáceis de identificar.
Reforça o múon, o Z, o Z′ e o A′. Níveis mais altos acrescentam estações externas – o detector cresce.
O ATLAS tem oito grandes bobinas toroidais em volta do eixo do feixe. Elas criam no sistema de múons um segundo campo, em forma de anel, onde os múons são curvados mais uma vez – assim o momento deles é medido independentemente do detector de traços. Por isso o detector tem cerca de 25 m de altura e 44 m de comprimento.
As oito bobinas aparecem no nível 4 das câmaras de múons.
Anel 1 · 27 km de circunferência
O LHC fica de 50 a 175 m abaixo da terra, na fronteira entre a Suíça e a França, entre os montes Jura a noroeste, os Alpes a sudeste e o lago Lemano. O túnel de 26,7 km foi escavado originalmente para o anel de elétrons e pósitrons LEP, que começou a operar em 1989.
O anel 1 é o anel do LHC, com 27 km de circunferência e teto de energia de 20 TeV. A expansão para o anel do FCC fica na aba do anel.
Campus do CERN. O CERN foi fundado em 1954 e é o maior laboratório de física de partículas. No campus ficam os galpões dos grandes experimentos (ATLAS, CMS, ALICE, LHCb) com seus detectores, que envolvem o feixe em quatro pontos do anel.
Anel 2 · 91 km de circunferência
O FCC é um plano estudado no CERN para um túnel circular de cerca de 91 km: primeiro como colisor de elétrons e pósitrons (FCC-ee, uma fábrica de Higgs e de Z), depois para prótons (FCC-hh, com cerca de 85 a 100 TeV de energia de centro de massa). Ele ainda não foi aprovado.
Anel 2: o lago agora fica dentro do anel, o teto de energia sobe para 100 TeV e a luminosidade começa no nível 1.
Anel 3 · 3.000 km de circunferência
FICÇÃO FUTURISTA · só o anel, não o astro
Com intensidade magnética fixa, a energia alcançável cresce com o raio (E ≈ 0,3 · B · r). Um anel de 3.000 km de circunferência em vez de 91 km chegaria, com os mesmos ímãs, a mais de trinta vezes a energia do FCC, ou seja, alguns PeV. Ninguém está construindo algo assim.
Anel 3: feixe duplo – cada décima colisão conta em dobro. O anel é ficção futurista.
Anel 4 · 40.000 km de circunferência
FICÇÃO FUTURISTA · só o anel, não o astro
Em 1954, Enrico Fermi calculou que um anel acelerador em volta da Terra com ímãs de 2 T levaria prótons a cerca de 5.000 TeV – um experimento mental, não um plano. Para comparar: os raios cósmicos mais energéticos passam de 10²⁰ eV, milhões de vezes mais que o LHC.
O anel 4 envolve a Terra (40.000 km), o anel 5 gira em volta dela como a órbita da Lua, e a partir do anel 6 ela é um ponto no anel. Os anéis são ficção futurista.
Anel 5 · 2,4 milhões de km de circunferência
FICÇÃO FUTURISTA · só o anel, não o astro
A Lua orbita a Terra a cerca de 384.000 km, e uma volta leva pouco mais de 27 dias. Ela sempre mostra a mesma face (rotação síncrona) e provoca as marés. Um anel na sua órbita teria cerca de 2,4 milhões de km de circunferência.
Anel 5: eventos de anomalia – toque para um bônus de tempo ou um drop em massa. O anel é ficção futurista.
Anel 6 · 940 milhões de km de circunferência
FICÇÃO FUTURISTA · só o anel, não o astro
O Sol é um reator de fusão: no núcleo, o hidrogênio se funde em hélio a cerca de 15 milhões de K. Ele emite o vento solar (prótons a cerca de 400 km/s) e neutrinos; cerca de 6 · 10¹⁰ deles atingem cada centímetro quadrado da Terra por segundo, quase todos sem obstáculo.
Anel 6: segundo detector – dois cruzamentos por volta, o ritmo cai pela metade. O anel é ficção futurista.
Anel 7 · além do sistema solar
FICÇÃO FUTURISTA · só o anel, não o astro
O vento solar sopra uma bolha no gás interestelar em volta do Sol. No choque de terminação, entre cerca de 85 e 95 UA, ele é freado; a heliopausa, a cerca de 120 UA, o separa do espaço interestelar. A Voyager 1 a cruzou em 2012, e a bolha blinda parte dos raios cósmicos.
Anel 7: toda partícula com massa pode ser alcançada como ressonância por sintonia. O anel é ficção futurista.
Os ímãs dipolares mantêm as partículas na trajetória circular: a força de Lorentz as curva, com p ≈ 0,3 · B · r. Energia maior exige um campo mais forte ou um anel maior. O LHC tem 1.232 dipolos supercondutores, cada um com cerca de 15 m de comprimento, que produzem 8,3 T a 1,9 K e mantêm prótons de 7 TeV numa circunferência de 27 km.
A melhoria “Campo magnético” fortalece os dipolos e os envolve com bobinas de cobre. A cada 10 níveis de feixe, o anel inteiro ganha uma nova era.
Nas cavidades de radiofrequência, um campo elétrico oscila no compasso dos pacotes: ele os acelera um pouco a cada volta e os mantém agrupados em pacotes. O LHC tem oito cavidades supercondutoras de 400 MHz por feixe, com cerca de 2 MV cada, 16 MV por feixe no total.
A cada 6 níveis de energia do feixe entra mais um módulo de RF (no máximo 10).
Os ímãs quadrupolares agem como lentes: focalizam o feixe num plano e o desfocalizam no outro – dispostos de forma alternada, focalizam-no no conjunto. Um tripleto diante do detector comprime o feixe a cerca de 17 µm; quanto menor a seção transversal, mais colisões.
A cada dois níveis de “Foco do feixe” entra um tripleto de cada lado do detector (no máximo 6); o foco também alarga a janela de acerto.
Ímãs supercondutores perdem toda a resistência elétrica abaixo de uma temperatura crítica. O LHC os resfria com cerca de 100 toneladas de hélio líquido a 1,9 K – mais frio que o espaço vazio (2,7 K) e a maior instalação criogênica do mundo.
Cada nível de “Criostato” acrescenta mais um tanque (no máximo 10) e prolonga a operação offline.
O hélio líquido circula num tubo ao longo dos ímãs. Abaixo de 2,17 K o hélio se torna superfluido: conduz calor extremamente bem e praticamente não tem viscosidade – ideal como refrigerante para os ímãs.
A linha aparece a partir do nível 2 da melhoria “Criostato”.
Os prótons não correm como um fluxo contínuo, mas em pacotes. O LHC comporta até 2.808 pacotes por feixe, com cerca de 10¹¹ prótons cada, separados por 25 ns. Dois feixes correm em sentidos opostos em tubos separados e só se cruzam nos detectores – cada cruzamento traz dezenas de colisões.
Você dispara no compasso do cruzamento (janela de acerto). A melhoria “Luminosidade” aumenta o número de colisões por segundo e desbloqueia a automação.
Partículas carregadas em trajetória circular irradiam luz tangencialmente. A potência cresce com E⁴ / (m⁴ · r²): com a mesma energia, um elétron perde cerca de 10¹³ vezes mais que um próton. Por isso o LHC usa prótons, e no anel de elétrons LEP (104,5 GeV) a radiação era o limite.
Os leques de luz crescem com o nível do feixe: quanto maior a energia, mais clara e mais dura a luz.
