Coppe contribui com pesquisas para descoberta da origem do universo

Um passo importante para entender a origem do universo, a comprovação da existência da partícula bóson de Higgs está cada vez mais próxima e deverá acontecer entre quatro e cinco meses. A nova partícula descoberta e anunciada na manhã desta quarta-feira, dia 4 de julho, tem características similares ao bóson de higgs, precisando apenas de mais alguns testes para a confirmação total. A missão conta com a participação de pesquisadores da Coppe/UFRJ entre os brasileiros que integram a Organização Europeia de Pesquisa Nuclear (CERN na sigla em francês) responsável pelo experimento.

Para identificar o bóson de Higgs – também conhecido como a “partícula de Deus” – e decifrar a origem do Universo, o CERN, que reúne ao todo cientistas de 85 países, acionou, em setembro de 2008, em Genebra, o Large Hadron Collider (LHC), o maior acelerador de partículas construído até hoje, que compreende um túnel circular de 27 km a 100 m abaixo da superfície entre a fronteira da França e da Suíça. O ATLAS, o maior detector do LHC, é operado por uma colaboração internacional de 38 países e a equipe brasileira é coordenada pelo professor José Manoel Seixas, do Programa de Engenharia Elétrica da Coppe/UFRJ, e pelo professor Fernando Marroquim, do Instituto de Física da UFRJ.

Segundo o professor José Seixas, que desenvolve seus estudos no Laboratório de Processamento de Sinais (LPS) da Coppe, a aceleração das partículas provocou colisões de feixes de prótons a uma energia recorde de 8 Tera-elétron volts. “Com esse resultado, já conseguimos, em junho, toda a estatística que pretendíamos obter em 2012, o que é essencial para a identificação do bóson de Higgs, e esta estatística nos mostra que isso deverá acontecer num prazo de até cinco meses”, calcula Seixas, lembrando que a energia chegará a 14 Tera-elétron volts, em 2013.

Coordenada pelo professor José Seixas – um dos primeiros brasileiros a integrar o grupo de pesquisa do CERN –, a equipe de pesquisa da Coppe atua em três áreas essenciais ao desempenho do LHC: calorímetro, filtragem e computação. O calorímetro, parte central de qualquer experimento de altas energias, é um detector de absorção total capaz de medir a energia e identificar a composição das partículas. Uma vez detectadas as partículas, será preciso selecionar aquelas que são produzidas por processos físicos relevantes ao experimento. Nesse processo de filtragem online, os calorímetros são essenciais para eliminar o que não é de interesse e armazenar os dados que serão analisados. “Trata-se de uma triagem de alto nível, não podemos descartar informação importante”, explica Seixas. Por fim, caberá ao sistema computacional processar toda a massa de dados gerada.

Os pesquisadores da Coppe também participaram do desenvolvimento de equipamentos utilizados pelo CERN, como a placa eletrônica responsável pela soma dos sinais das células de um dos calorímetros do ATLAS. O circuito analógico de alta velocidade é usado para registrar o choque entre os prótons. Esses circuitos encontram-se instalados no detector ATLAS, cujo desenvolvimento contou com importante contribuição da equipe da Coppe, presente desde a sua concepção de projeto. Na calorimetria do ATLAS, o circuito produzido no Brasil possui um dos índices altos de confiabilidade. “Esse desempenho atesta o controle de qualidade do produto brasileiro, numa área industrial de elevado valor agregado”, diz Seixas.

Outra importante contribuição da Coppe neste projeto é o trabalho na área de software, sob a coordenação da pesquisadora Carmen Maidantchik, também do Programa de Engenharia Elétrica da Coppe. Diante da quantidade de dados gerados pelo LHC, independentemente de onde e como esses dados são armazenados, tornam-se necessárias tecnologias eficientes para acessá-los para posterior análise. “Para isso, os pesquisadores da Coppe desenvolveram um sistema para recuperar informações sobre os equipamentos do ATLAS, respectivas dosagens de radioatividade e sua estrutura hierárquica, além de sistemas de segurança do detector ATLAS, por meio da identificação de alarmes”, explica Carmen.

Entre os outros sistemas de computação desenvolvidos pela Coppe para o CERN estão a monitoração da operação e apoio às análises do calorímetro de Telhas. Também foi construído um software para controlar o funcionamento dos módulos, das fontes de alimentação de energia e do sistema de resfriamento do calorímetro de Telhas.

Coppe e CERN: 24 anos de parceria

A parceria entre e CERN e a Coppe – o Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia da UFRJ – começou há 24 anos, com a participação de alguns de seus pesquisadores no desenvolvimento de circuitos analógicos e digitais para o detector Spacal. Em 1988, um grupo formado pelos professores da Coppe Zieli Dutra, Luiz Calôba, Antonio Carneiro de Mesquita Filho, Ana Regina Rocha e Jano Moreira visitou pela primeira vez as instalações do CERN, na Suíça. Ao conhecerem a magnitude das pesquisas desenvolvidas, aceitaram o desafio e começaram a participar do projeto. A partir de então ficou estabelecida a parceria mantida até hoje com vários projetos comuns.

O professor José Manoel Seixas, do Laboratório de Processamento de Sinais (LPS) da Coppe foi um dos primeiros brasileiros a integrar os grupos de pesquisa do CERN. “Nessa época, o CERN estava envolvido em pesquisas do detector LEP (Large Electron and Positron collider), desmontado para dar lugar ao LHC, mas não havia ainda o desenvolvimento de tecnologias de detecção e de eletrônica capazes de realizar os experimentos que estão sendo realizados agora”, conta José Manoel.

O experimento

Um aparato gigantesco instalado em um túnel de 27 de quilômetros de extensão, a 100 metros de profundidade, entre a fronteira da Suíça e a da França, o acelerador de partículas Large Hadron Collider (LHC) deverá passar pelo seu grande teste nos próximos dois meses. Ao custo de cerca de US$ 8 bilhões, o LHC levou 14 anos para ser construído. Sua função é basicamente acelerar e colidir prótons em alta velocidade e o principal objetivo será comprovar a existência do bóson de Higgs, responsável pela presença de massa no Universo. Fruto de teoria formulada pelo físico inglês Peter Higgs, em 1964, essa partícula teria dotado todas as outras de massa após o Big Bang.

Detectar o bóson de Higgs, partícula nunca antes detectada, provaria a teoria amplamente aceita no mundo científico, permitindo explicar como as partículas adquiriram massa na origem do Universo. Partindo da equação de Einstein E=mc2 (energia é igual à massa vezes a velocidade da luz ao quadrado), é possível afirmar que massa e energia podem ser transformadas uma na outra. Ao colidirem, os prótons terão energia suficiente para criar pequenos Big Bangs e reproduzir as partículas geradas no começo do universo, entre elas o bóson de Higgs.

No LHC, partículas subatômicas são aceleradas em direções opostas a uma velocidade próxima a da luz, provocando 40 milhões de colisões por segundo, mas acelerar e colidir partículas constitui apenas a primeira etapa do processo. Cada uma dessas colisões produz milhares de novas partículas que serão analisadas por quatro enormes detectores, instalados em cavernas ao longo do túnel onde está o LHC. São eles o CMS, Alice, LHCb e ATLAS, ao qual a Coppe está diretamente ligada.

O ATLAS possui 140 milhões de pequenos sensores que registram as colisões, possui dois calorímetros – o de hádron, que detecta prótons e nêutrons, e o eletromagnético, que detecta elétrons e fótons. Maior dos quatro detectores, com 25 metros de altura, 46 de comprimento e 7 mil toneladas em equipamentos, o ATLAS analisa milhões de colisões por segundo em busca do bóson de Higgs, partícula instável que, uma vez criada, desaparecerá em frações de segundos para se transformar em uma partícula mais estável. Na busca da partícula, os físicos analisam uma quantidade incomensurável de informação. As colisões chegam a gerar 70 gigabytes de dados por segundo. Por isso, os subdetetores, como os calorímetros, são de fundamental importância, assim como o sistema computacional desenvolvido. É necessário reconstruir o que e de que forma aconteceu. Circuitos eletrônicos registram informação, eliminando ruído e armazenando o que importa.