Acelerador detecta sinais que podem ser do bóson de Higgs

Acelerador detecta sinais que podem ser do bóson de Higgs

Cientistas precisam de mais dados para refutar ou confirmar a descoberta; espera-se que a resposta definitiva venha até o fim de 2012

Pesquisadores do LHC, o maior acelerador de partículas do mundo, dizem ter detectado sinais compatíveis com o famoso bóson de Higgs, a partícula que teoricamente explicaria porque todas as outras têm massa. Os cientistas ainda não podem afirmar que a busca terminou, mas os resultados preliminares são animadores.
Em uma apresentação via internet transmitida da Suíça, sede do Cern (Centro Europeu para Pesquisas Nucleares), os pesquisadores apresentaram dados dos experimentos Atlas e CMS, que tinham como um dos principais objetivos fazer justamente a caçada a essa peça fundamental do chamado modelo padrão da física de partículas.
Embora os sinais pareçam ser compatíveis com o bóson e venham de dois instrumentos diferentes, ninguém ainda consegue dizer que a tal "partícula de Deus", apelido dado a ela pelo prêmio Nobel Leon Lederman, de fato foi descoberta.
"Ficamos muito animados, mas ainda não dá para declarar vitória completa. Não porque nossas medições sejam ruins, ou porque sejamos incompetentes, mas porque ainda não atingimos a significância estatística necessária", explica Sergio Novaes, físico da USP e membro da equipe do CMS.
"Somente com mais tempo conseguiremos a quantidade de dados exigida para fazer a confirmação. Mas sabemos exatamente quanto tempo isso vai levar", conclui.
O prazo? Estima-se que até o final de 2012 haja massa de dados suficiente para confirmar se o sinal observado é mesmo o tal bóson. De toda forma, o fato de que dois instrumentos independentes ("hardware e software diferentes, eletrônica diferente, pessoal diferente", como diz Novaes) observaram a mesma coisa, mais ou menos na mesma faixa de energia, é um bom sinal.
Fábrica de partículas
O LHC (Grande Colisor de Hádrons, na sigla inglesa) explora o mundo das partículas acelerando prótons num imenso anel por meio de campos magnéticos e então fazendo-os colidir. A alta energia envolvida no choque gera uma miríade de partículas adicionais, que são então observadas por detectores instalados no interior dos experimentos.
O bóson de Higgs é a única peça que falta ser observada para completar o modelo padrão _teoria que reúne todas as forças e partículas da natureza, salvo a gravidade. Nenhum outro acelerador tinha potência suficiente para atingir o nível de energia requerido para descobri-lo. O LHC é o primeiro a chegar lá.
Aparentemente, a massa do Higgs é de aproximadamente 125 vezes a de um único próton (ou, no linguajar dos físicos, 125 giga-elétron-volts).
Cautela
"Esse anúncio é excitante do ponto de vista da física, mas é preciso ser cuidadoso e não dizer que isso significa propriamente uma descoberta", afirma Ronald Shellard, físico do CBPF (Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas), vice-presidente da SBF (Sociedade Brasileira de Física) e líder do grupo de trabalho que negocia a entrada do Brasil no Cern.
"O significado desses resultados é ainda muito preliminar", comenta Gustavo Burdman, físico teórico da USP não envolvido com a pesquisa. Ele destaca, contudo, que a configuração é parecida com o que se esperaria. "Esse valor de massa é bastante compatível com o esperado. Além disso, o número de eventos observados seria compatível com a precisão para o número de eventos vindo do decaimento de um Higgs dessa massa no modelo padrão."
Shellard resume a história: "É o tal negócio: você viu de esgelha a cara do monstro. Agora tem pouca chance de ele não estar lá."
Caso seja confirmado, o resultado encerra uma era na física. "Isso de certa maneira fecha, e com chave de ouro, o modelo padrão", diz Shellard. "Agora não tem escapatória, vamos ter de explorar além dele."
Com isso o LHC abre uma etapa em que a física experimental volta à dianteira e passa a fornecer dados que precisarão ser interpretados do zero pelos teóricos.

Encontro de Física 2011

Para quem esteve no Encontro de física 2011, segue o video de encerramento do congresso.

Diapasão

Diapasão é um instrumento metálico em forma de forquilha, que serve para afinar instrumentos e vozes através da vibração de um som musical de determinada altura. Foi inventado por John Shore (1662–1752) em 1711, trompetista de Georg Friedrich Haendel. A forquilha é afinada em uma determinada frequência (atualmente o mais comum é o Lá de 440 Hz). Ao ser golpeado contra uma superfície, as duas extremidades da forquilha do diapasão vibram produzindo a nota que será utilizada para afinar o instrumento musical. Em geral, é necessário encostar a outra extremidade do diapasão na caixa de ressonância do instrumento para amplificar seu som e permitir que seja ouvido à distância. O mesmo efeito pode ser conseguido se a extremidade do diapasão for encostada na caixa craniana próximo à orelha. Com as mesmas finalidades, existe também o diapasão de sopro, normalmente utilizado para afinar guitarras e outros instrumentos de cordas. Esses diapasões são como pequenas gaitas, que têm uma palheta afinada para a altura de cada corda do instrumento a afinar.
Diapasão - Característica de um som determinada pela frequência de vibração das ondas sonoras. Os sons agudos têm frequências mais altas do que os sons graves. Quando um violinista afina seu instrumento, ajusta cada corda de maneira que vibrem um certo número de vezes por segundo. Na realidade, a maioria dos sons que ouvimos é uma mistura de várias frequências. Os sons produzidos por um instrumento musical, um apito ou uma sirene têm várias frequências ao mesmo tempo. A frequência mais baixa, chamada fundamental, é considerada a frequência da nota musical. A fundamental é produzida pela vibração do objeto de acordo com o comprimento, massa ou outras características físicas. As frequências mais altas, chamadas harmónicas, são produzidas por vibrações secundárias desse corpo. As frequências harmônicas são múltiplos inteiros da frequência fundamental.

Congresso Sul Americano de Física 2011

     Como semana passada não postei nada, segue um video do congresso de Física Sul Americano que aconteceu em Foz do Iguaçu do qual eu participei na semana passada.

Copo de Pitagoras

O copo de Pitágoras

Pitágoras é conhecido hoje acima de tudo pelo seu teorema a² + b² = c². Isto não faz jus a este grande pensador que se ocupou com religião, com a natureza da alma e com a harmonia do cosmos.
Para ensinar aos seus discípulos a virtude da moderação, ele inventou o copo que leva o seu nome. Quando o copo é preenchido com vinho ou água até uma determinada medida, o líquido fica no copo. Mas se o copo for preenchido além deste ponto, todo o líquido escorre por um buraco no fundo do copo, esvaziando-o.
O copo de Pitágoras é fabricado de vidro soprado de forma manual. O segredo de sua construção é um sifão colocado no meio do copo.

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Iury Körting

Transformador Tesla

A Bobina de Tesla é um transformador ressonante capaz de gerar uma tensão altíssima com grande simplicidade de construção, inventado por Nikola Tesla por volta de 1890. O experimento de Nikola Tesla sempre apresentou uma grande variação de bobinas e configurações, por isto é difícil de descrever um modelo especifico de construção. As bobinas de Tesla são geralmente mecanismos muito populares entre os entusiastas das alta tensões.

Bobina de Tesla em Questacon, na Austrália, no National Science and Technology Centre museum.

Descrição

Na forma mais usual, é formada por um transformador com núcleo de ar, com um capacitor primário carregado a uma tensão de alguns (5-30) kV se descarregando sobre a bobina primária através de um centelhador. A bobina primária possui poucas espiras de fio grosso (1-20), podendo ser cilíndrica, plana ou cônica, e é montada próxima à base da bobina secundária. O circuito secundário é formado por uma bobina secundária cilíndrica com por volta de mil espiras, montada centrada sobre a bobina primária, que ressona com sua própria capacitância distribuída e com a capacitância de um terminal montado no topo da bobina. Estas capacitâncias distribuídas dependem apenas da geometria do sistema, e formam a capacitância secundária. A base da bobina secundária é ligada à terra, ou a um condutor com grande capacitância distribuída, que serve como "contrapeso". Os circuitos primário e secundário são ajustados para ressonar na mesma freqüência, usualmente na faixa de 50 a 500 kHz. O sistema opera de forma similar a dois pêndulos acoplados com massas diferentes, onde as oscilações a baixa tensão e alta corrente no circuito primário são gradualmente transferidas para o circuito secundário, onde aparecem como oscilações com baixa corrente e alta tensão. Quando se esgota a energia no circuito primário, o centelhador deixa de conduzir, e a energia fica oscilando no circuito secundário apenas, alimentando faíscas e corona de alta freqüência.

Desempenho

Bobinas de Tesla alcançam 250 kV com relativa facilidade, e algumas chegam a 1,5 MV ou mais.

Usos

Bobinas de Tesla já foram usadas em transmissores de rádio primitivos, dispositivos de eletroterapia e geradores de alta tensão para aplicações em física de alta energia. A aplicação mais comum atualmente é para demonstrações sobre eletricidade em alta tensão, gerando faíscas elétricas que podem ter vários metros de comprimento.

Física do mecanismo

Sendo L₁, C₁ a indutância e a capacitância do circuito primário e L₂, C₂ o mesmo do circuito secundário, a máxima tensão de saída (ignorando perdas) pode ser obtida, pela conservação da energia, como:
V_saida = V_inicial √(C₁/C₂) = V_inicial √(L₂/L₁)
A sintonia na mesma freqüência implica L₁C₁ = L₂C₂.
O coeficiente de acoplamento entre as bobinas primária e secundária tem valores ideais, ignorando perdas, que são da forma k = (b²-a²)/(b²+a²), onde a e b são inteiros com diferença ímpar, como a:b = 1:2, 2:3, 5:8, etc., que definem o modo de operação. Esses valores resultam em transferência completa de energia em b semiciclos de oscilação. Isto é crítico apenas em bobinas construídas para transferência rápida de energia, como no modo 1:2, que resulta em k = 0.6 e transferência em um ciclo. Em bobinas feitas para demonstrações, coeficientes de acoplamento por volta de 0,1 são o usual, modo 9:10, com transferência em cinco ciclos.
Uma representação da Bobina de Tesla é representada abaixo:

Ilustração de uma Bobina de Tesla

Esquema Elétrico

O esquema elétrico de uma bobina de Tesla é bastante simples e funciona da seguinte forma: a tensão de alimentação é elevada de 110 ou 220 V para algo em torno de 6 a 10 kV. O circuito ressonante formado por L₁ e C₁ eleva ainda mais essa tensão, sendo capaz de gerar uma tensão de faiscamento em Sg₁. O princípio do faiscamento é importante pois sendo ele um impulso de energia, ele é rico em altas freqüências, capazes de sintonizar as altas freqüencias da bobina de Tesla em T₂ que nada mais é que outro transformador elevador de tensão atrelado a um circuito ressonante imaginário, formado pelas capacitâncias parasitas de T₂ e pela capacitância própria esfera de irradiação em Term₁. O ajuste fino da freqüência de ressonãncia é feito através de um tap na bobina primária do transformador T₂.

Esquema Elétrico de uma Bobina de Tesla

No exemplo acima:

• Sw₁ = interruptor simples
• R₁ = 33 kΩ
• Ne₁ = Lâmpada de Neon
• T₁ = Transformador de 6 kV, utilizado para iluminação de fachadas Neon
• L₁ = Indutor de 2,5 mH de alta tensão e alta freqüência
• C₁ = Capacitor de alta tensão, formado por lâminas de metal isoladas por placas de vidro
• Sg₁ = Faiscador ajustável
• T₂ = Bobina de Tesla
• Term₁ = Esfera de Irradiação de Alta Tensão

Máquina a vapor

Máquina a vapor 

      "Máquina a vapor transparente para a demonstração do modo de funcionamento de uma máquina a vapor oscilante, na qual o cilindro se move em torno de um eixo central e durante o seu movimento ele abre e fecha os canais de evacuação do vapor.
Placa base e roda feitas de acrílico transparente, tambor e cilindro de trabalho de quartzo a prova de calor, pelo que se pode observar muito claramente todos os movimentos. Com eixo de tração de latão com rolamentos e válvulas de segurança integradas no tambor para impedir a sobrepressão."

      A primeira idéia de máquina a vapor foi a chamada "aeolipile", feita por Heron de Alexandria. Consistia em uma pequena esfera de cobre com dois caninhos torcidos, conforme mostra a figura, e que continha água em seu interior. Colocada sobre um tripé e sobre o fogo, a água fervia e o vapor que saia pelos caninhos fazia com que a esfera rodasse.
      A primeira verdadeira máquina térmica é legada ao físico francês Denis Papin que utilizou vapor para impulsionar um mecanismo com êmbolo e cilindro. Foi Papin que inventou um aparelho semelhante à panela de pressão e, para evitar que explodisse, concebeu a primeira válvula de segurança conhecida.
      Em 1698, mais de mil anos após a máquina de Heron, surgiu a primeira máquina a vapor de interesse industrial, elaborada por Thomas Savery, um engenheiro militar inglês. Essa máquina tinha por objetivo retirar água dos poços de minas de carvão, porém poderia explodir devido à utilização de vapor a alta pressão.
      Por volta de 1712, o inglês Thomas Newcomen, aperfeiçoando as máquinas de Savery e Papin, idealizou uma nova máquina térmica que poderia ser utilizada em minas profundas com menor risco de explosões e que, além de elevar a água, poderia elevar cargas. Sua máquina foi um sucesso na Europa durante o século XVIII.
      Em 1765, James Watt, um fabricante de instrumentos para a Universidade de Glasgow, estudando uma máquina de Newcomen, procurava uma maneira de aumentar sua eficiência e minimizar os custos com o carvão utilizado como combustível. Foi, então, que elaborou uma máquina com um condensador que minimizava as perdas de calor e que possuía outras finalidades como propulsão de moinhos e tornos, pois o movimento de rotação substituiu o de sobe e desce.

      A máquina de Watt que também servia à fundição e à minas de carvão, teve grande êxito e acabaram substituindo as máquinas de Newcomen, pois além da versatilidade, consumiam três vezes menos carvão que essas. Para alguns, foi a máquina de Watt que ocasionou a Revolução Industrial.
      Foi James Watt que fixou o cavalo-vapor como unidade de medida para determinar a potência de uma máquina. Na época, considerou a carga que um cavalo poderia elevar. Hoje o cavalo-vapor é à potência necessária para elevar um metro de altura uma massa de 75 kg em um segundo.
      Foi em 1804 que as máquinas a vapor foram utilizadas para a locomoção. Richard Trevithick, um engenheiro de minas fez uma locomativa de um só cilindro com êmbolo e caldeira que carregava barras de ferro das minas de carvão.

      O motor a vapor foi utilizado nos automóveis durante o fim do século XIX e início do século XX, por mais ou menos 30 anos. O motor de maior sucesso foi fabricado por um americano chamado Stanley e esteve em uso até 1945.

      O motor a vapor é uma máquina que transforma a energia térmica do vapor em energia mecânica utilizando um êmbolo que se movimenta dentro de um cilindro, assim como a máquina de Watt. O combustível queima fora do cilindro, ou seja, é de combustão externa o que diminui a poluição. O vapor é admitido por um lado do cilindro e expluso do outro por um sistema de válvulas enquanto o pistão se movimenta.

Hoje em dia os motores dos automóveis são de combustão interna.

Máquina de Wimshurst

   

 A Máquina de Wimshurst é um gerador eletrostático de alta voltagem, desenvolvido entre 1880 e 1883 pelo engenheiro britânico James Wimshurst. A máquina se tornou famosa em laboratórios de Física, onde é utilizada até os dias de hoje para demonstrações sobre os efeitos da Eletricidade estática.

      Esta máquina pertence à uma classe de Máquinas Eletrostáticas, que "geram" cargas elétricas através do fenômeno da indução eletrostática. Foi uma inovação diante de máquinas eletrostáticas anteriores como a Máquina de Holtz e a Máquina de Toepler que tinham tendência à inversão de polaridade em seus terminais, o que não ocorre na Máquina de Wimshurst.

      A máquina possui dois discos feitos com materiais isolantes que giram em sentidos opostos. Nesses discos são fixados diversos setores metálicos cujas bordas são arredondadas a fim de amenizar perdas de energia por efeito corona. Os setores são mais largos nas bordas que no seu interior, o que permite um espaçamento constante entre eles ao redor do disco.

Em frente a cada disco existe uma barra metálica, que são cruzadas uma em relação à outra num ângulo de aproximadamente 60°. Essas barras, chamadas de barras neutralizadoras, possuem em suas extremidades escovas feitas com fios metálicos que tocam os setores da máquina enquanto os discos giram. Quando um setor metálico passa por uma escova ocorre uma influência pelo disco oposto, e por indução eletrostática cargas elétricas opostas às do disco oposto são atraídas para ele. A estrutura gera cargas crescentes nos setores, e as tensões sobem até que ocorra faiscamento.

      As cargas elétricas induzidas são coletadas por barras metálicas em forma de "U", que rodeiam as partes laterais dos discos. Estas barras são os coletores de carga da máquina, e possuem algumas pontas ou dentes metálicos dispostos à frente dos setores da máquina. Pelo efeito do "poder das pontas" grande parte da carga nos setores é "puxada" para os coletores. As cargas são levadas aos terminais da máquina, que possuem um faiscador. Nas extremidades do faiscador são colocadas esferas metálicas, a fim de que a cargas elétricas se concentrem antes de atingir a tensão de faiscamento, formando descargas elétricas vísíveis.

      Uma Máquina de Wimshurst com discos de 30 cm de diâmetro produz até 100.000 volts, com uma corrente elétrica de aproximadamente 20 uA. É comum encontrar conectados aos terminais da máquina pares de capacitores do tipo garrafa de Leyden, com a intenção de se conseguir descargas elétricas maiores e mais intensas devido à carga acumulada neles.

      A Máquina de Wimshurst, assim como outros geradores eletrostáticos, requer toda a estrutura elétrica bem isolada eletricamente, a fim de amenizar perdas da energia elétrica produzida pela máquina. Para isso tanto os discos, como os suportes dos coletores de carga são feitos com materiais altamente isolantes como plástico ou vidro envernizado. Os condutores elétricos da máquina também recebem alguns cuidados especiais para amenizar as perdas de energia, isso é feito evitando-se qualquer ponta ou ângulo agudo da estrutura metálica, impedindo perdas pelo mesmo "poder das pontas" usado nos coletores.