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Aceleradores de Partículas

 

O que são aceleradores de partículas e porque são importantes?

Um acelerador de partículas é um aparelho que produz "feixes" de átomos, elétrons, moléculas ou algumas partículas mais exóticas, como antiprótons, pósitrons ou mésons, com velocidades altas, geralmente superiores a 1/1000 da velocidade da luz c. Para que sejam atingidas estas velocidades, que em alguns casos chegam quase na velocidade da luz, as partículas sofrem a ação de forças eletromagnéticas, com arranjos que diferem bastante entre os diversos tipos de aceleradores.

Um "feixe" de partículas ocorre quando as trajetórias dessas partículas são razoavelmente paralelas e distam menos de 1 centímetro umas das outras. (A palavra "feixe" quer dizer em geral um conjunto de objetos paralelos colocados perto um do outro, como numa vassoura de gravetos onde eles são amarrados por uma corda, vindo daí a palavra "faxina".) Um feixe é caracterizado então pela partícula que o forma, pela sua energia cinética Ec(ou velocidade v) e pelo número de partículas por unidade de tempo N.

Se a carga das partículas for q, há uma relação simples entre a corrente elétrica total do feixe, I, e o fluxo N:

I=Nq. Mas porque alguém aceleraria partículas? A primeira razão é que precisamos conhecê-las melhor e um dos meios de fazer isso é colidí-las em altas velocidades com outras partículas (átomos, fótons, elétrons, moléculas, etc) ou com sólidos. A segunda razão é que podemos usar essas colisões para conhecer melhor os "alvos", por exemplo obtendo a composição química de objetos sólidos.

Há também numerosas aplicações tecnológicas e médicas. A Microeletrônica, por exemplo, não existiria sem aceleradores, chamados "implantadores" porque colocam átomos, geralmente de boro e de fósforo, dentro de um cristal de silício.

(Antes de aceleradores começarem a ser empregados nos anos 60 já eram fabricados válvulas, diodos e transistores - mas sem aceleradores os tamanhos de qualquer circuito eletrônico seriam milhões de vezes maiores que hoje.) Num outro exemplo, a erroneamente chamada Medicina Nuclear usa aceleradores para produzir radioisótopos usados em terapias ou em dignósticos, para produzir raios-X ou para irradiação de tumores com elétrons ultra-rápidos (energia cinética de 20 MeV, equivale a velocidade 0,9997c). Uma questão preliminar é a das unidades. Em geral nos referimos às energias cinéticas em eV ou seus múltiplos keV (1000 eV), MeV (1000 keV), GeV (1000 MeV) ou TeV (1000 GeV).

Um eV é a energia cinética de uma partícula com a carga do elétron que atravessou uma diferença de potencial elétrico de um Volt e corresponde à energia de 1,6 *10 elevado a (-19) Joules. Caso a energia cinética de uma partícula seja muito inferior à sua "energia de repouso" (mc elevado a 2) podemos usar a fórmula usual Ec=(1/2)mv elevado a 2, de outra forma teremos que usar expressões relativísticas.

Como exemplos, um elétron num tubo de TV tem cerca de 25000 eV antes de bater na tela e produzir luz, uma molécula de gás tem cerca de 1/40 do eV, os fótons de luz visível tem cerca de 2 eV, as partículas emitidas pelos núcleo de alguns átomos, chamados radioativos, tem alguns milhões de eV. Se desejarmos estudar o núcleo as energias são geralmente superiores a 1 MeV, podendo ir a GeV. Se quizermos estudar as partículas que formam o núcleo as energias serão maiores ainda, de GeV a Tev.

(Átomos ou núcleos com energia cinética de 1 MeV tem velocidades, dependendo da massa atômica, indo de 0,003 c, para o urânio,a 0,05 c, para o hidrogê.nio. Não apenas a complexidade dessas máquinas aumenta com a energia, em cada faixa estudam-se fenômenos distintos, cuja relevância vai da compreensão de nossa atmosfera até à da origem do universo. Incidentalmente as máquinas gigantescas que trabalham na região de 1 TeV, o CERN na Europa e o Fermilab na América do Norte, tem como subprodutos aplicações tecnológicas em mecânica fina, novos materiais, eletrônica e supercondutividade, sendo isto uma das principais motivações de seus orçamentos anuais de centenas de milhões de dólares. Não iremos falar destes aceleradores, concentrando-nos nos que permitem estudar propriedades atômicas e suas ainda mais generalizadas aplicações, ou seja, as energias disponíveis não serão suficientes para quebrar ou excitar o núcleo atômico, o que quer dizer velocidades entre cerca de 1/1000 e 1/10 de c, ou energias indo de 0,001 eV a alguns MeV. É difícil para nós imaginar que até 200 anos atrás não se soubesse nada sobre átomos ( a Teoria Atômica de Dalton data do início do século XIX) ou que apenas cem anos atrás tenha sido descoberta a existência do elétron, pois hoje toda a tecnologia se baseia em átomos e em elétrons.

Inúmeras aplicações de propriedades atômicas na Engenharia, na Química e na Medicina, não existiam, entre elas quase todas a Eletrônica, a Ciência de Materiais e a Química Analítica (que estuda a composição química de um objeto ou de uma amostra). Pelo lado da Ciência, nesse passado tão recente não eram conhecidos os fenômenos básicos da Química, da Biologia, da Física e da Meteorologia para os quais os átomos (e as moléculas, que são aglomerados de átomos) são fundamentais.

Hoje, por exemplo discutimos as propriedades dos seres vivos e como alterá-las através da Genética Molecular, quando o gen é estudado como formado por grupos de átomos; estudamos a temperatura da Terra e a intensidade de radiação ultravioleta (UV) pelas colisões entre moléculas na atmosfera e somos capazes de calcular propriedades de compostos químicos os mais diversos, nas fases gasosa, líquida ou sólida, usando a Mecânica Quântica. Estamos rodeados de materiais "artificiais", como plásticos, remédios, ligas metálicas e cerâmicas, desconhecidos por nossos antepassados de 100 ou de 200 anos atrás, ou mesmo que desconhecíamos durante nossa infância. A descoberta e/ou produção de muitos deles só foi possível usando propriedades atômicas e moleculares descobertas usando aceleradores.

Foram experiências usando aceleradores que nos permitiram a compreensão que temos dos átomos e das substâncias que nos rodeiam, fornecendo a base para a Mecânica Quântica no início deste século, por sua vez permitindo a compreensão teórica dos fenômenos químicos. Nessas experiências um átomo (em geral ionizado positiva ou negativamente) ou um elétron (uma partícula que existe dentro dele) é acelerado até uma velocidade "alta" e colide com um "alvo", que pode ser um outro átomo, uma molécula, um objeto sólido, a superfície de um líquido, etc. Além de explicar essas propriedades, os aceleradores são usados para fabricar equipamentos baseados nelas. Por exemplo, os aparelhos eletrônicos funcionam baseados em componentes (os circuitos integrados ou "chips", que podem conter o equivalente a dezenas de milhões de transistores) fabricados por implantação de átomos de velocidade alta (obtida usando aceleradores de ions) em cristais de silício. Alguns destes aparelhos, como microcomputadores ou simples televisões, são eles próprios aceleradores, acelerando elétrons até velocidades de 30% da velocidade da luz.

Até 1750, por exemplo, apenas 17 do atuais 105 elementos eram conhecidos e nem era sabido que todas as substâncias eram formadas por combinações desses cento e pouco elementos. Na segunda metade do século XVIII uma sucessão de grandes químicos, como Lavoisier (1743-1794, quando foi morto pelo governo revolucionário da França) e Proust (1754-1826), não apenas mais do que dobraram o número de elementos conhecidos (passou para 40) como também verificaram a existência de relações definidas entre as massas das substâncias envolvidas numa reação química. No início do século XIX Dalton (1766-1844) propôs a Teoria Atômica e Berzelius (1779-1848) a maneira como se denotam os elementos.

Além desses cientistas numerosos outros descobriam novos elementos, sintetizavam novas substâncias e descobriam a "composição química" de muitas outras, algumas conhecidas desde a Antiguidade, como o sal de cozinha, a alumina e a soda. Mas se desconhecia o que eram os átomos. Para estudar os átomos, os núcleos dos átomos e as partículas dentro desses núcleos temos que fazer colisões com velocidades crescentes. Em alguns casos a Natureza já nos fornece átomos (ou ions, que são átomos sem alguns elétrons) com velocidades altas. Exemplos disto são os átomos cujos núcleos emitem espontaneamente partículas alfa (estas são formadas por 2 protons e 2 neutrons, tendo carga elétrica positiva +2e e energias cinéticas da ordem de alguns MeV), sendo uma espécie de "acelerador" que não precisa ser ligado na tomada.... Em 1911 dois físicos, Geiger e Marsden, fizeram a experiencia que levou outro físico, Rutherford, a propor no mesmo ano o atual modelo do átomo (e a tornar-se instantaneamente um químico, ganhando o premio Nobel de Química). Nela um emissor de "alfas" foi colocado perto de uma folha metálica fina e, medindo as partículas alfa após a interaçã com a folha verificou-se que embora a maioria sofresse uma deflexão pequena algumas poucas eram fortemente "espalhadas" para trás.

Rutherford interpretou este fato como a existência de um núcleo pequeno e positivo em torno do qual orbitavam elétrons.

Havia no entanto numerosos problemas para compatibilizar as teorias da Física vigente com esse modelo, o que deu um grande impulso à busca de uma nova mecânica, a Quântica, o que demorou cerca de duas décadas. Outro tipo de partícula rápida que a Natureza nos dá é o raio cósmico, onde partículas atingem a Terra, eventualmente com energias muito superiores à dos aceleradores de maior porte atuais.

Uma parte da compreensão atual sobre as partículas usou resultados de medição desses raios cósmicos, como as medidas feitas pelo físico brasileiro Lattes na Bolívia na década de 50. A Química hoje seria provavelmente descrita como a ciência que estuda os átomos e as moléculas: como reagem uns com os outros, como emitem ou absorvem luz, como se ionizam, perdendo ou ganhando elétrons, etc. Uma "reação química", por exemplo a de combustão quando uma molécula de açúcar e uma de oxigênio reagem dentro de um ser vivo fornecendo energia, é uma "colisão", mesmo que nesse caso as velocidades sejam baixas.

Do ponto de vista aplicado diversas técnicas (como o PIXE, o RBS e o Auger) se baseiam na emissão de elétrons ou de raios-X por átomos que foram alvejados por elétrons ou por ions de alta velocidade, obtidos em aceleradores. Grande parte das informações que temos sobre os átomos e sobre as moléculas vem dessas colisões, feitas de forma controlada. Podemos ter um feixe de luz monocromática atravessando um meio e considerar que as partículas de luz (fótons) colidem com um "alvo" de átomos ou moléculas.

Podemos ter uma experiência bem similar, onde ao invés de luz temos feixes de elétrons ou de ions, cada feixe sendo composto por partículas com a mesma energia cinética. Aceleradores são tambem fundamentais em aplicacões . Os microcircuitos de um computador são fabricados acelerando ions a dezenas de milhares de eV e jogando-os contra uma pastilha de silicio. Estes aceleradores são chamados implantadores e sem eles nao haveria nem a elétronica moderna nem os computadores.

Outras aplicacoes existem na Medicina, onde frequentemente aceleradores de elétrons com 20 milhões de eV são usados para irradiar pacientes com cancer (os elétrons destroem o tecido canceroso). Na medicina também são usados para fazer a produção de substâncias radioativas, as quais podem ser usadas para tratar o cancer. Um tubo de raios-X, equipamento usado rotineiramente no diagnóstico mé:dico desde meados deste século XX, é um acelerador de elétrons, que atingem algumas dezenas ou centenas de milhares de eV e incidem sobre uma folha metálica, cujos átomos emitem raios-X.

Mas, como se acelera um elétron, ou um íon ou um átomo?

Essencialmente são forcas elétricas que fazem isso, ou diretamente (como no tubo de TV ou no de raios-X) ou indiretamente, quando campos magnéticos variaveis no tempo produzem forcas elétricas (os aceleradores acima de alguns milhoes de eV em geral são desse tipo).

Aceleradores de Partículas

Entre os diferentes tipos de aceleradores temos:

Os "tandems", onde ions negativos são acelerados por um potencial elétrico positivo até um alvo gasoso ou sólido onde perdem elétrons, virando ions positivos e sendo acelerados novamente ( Nosso acelerador na UFRJ é desse tipo, se tivermos por exemplo um feixe de H- e um potencial de 1,7 MV vamos obter um feixe de H+ com 3,4 MeV.

No Brasil há outros similares na UFRGS e na USP); - os Van de Graaff, onde uma esfera é carregada eletricamente até alguns MV e dentro dela se coloca uma fonte de ions, os quais são acelerados (No Brasil há um na PUC/RJ.); -os lineares, onde um campo magnético variável induz um campo elétrico variável na direção do tubo do acelerador, com o campo eletrico &sendo oscilante, mas com o feixe sendo pulsado, para só percorrer o tubo quando o campo aponta no sentido desejado (No Brasil há aceleradores deste tipo no CBPF, na USP e em muitos hospitais.); - o ciclotron, onde o íon descreve semicirculos sob a ação de campo magnético, entre esses semicirculos é acelerado por um campo elétrico e, como passa diversas vezes nesse mesma região, um potencial elétrico pequeno resulta numa grande energia final (No Brasil temos aceleradores destes no IEN e no IPEN, respectivamente nas cidades do Rio de Janeiro e de São Paulo.) e -os eletrostáticos de baixa voltagem (até algumas centenas de keV) onde um elétron ou um íon é acelerado por um gerador externo (No Brasil são empregados para acelerar elétrons, sendo encontrados na UFRJ e na UFSCar.

Além desses aceleradores, obviamente temos todos os tubos de raios-x, todos os aparelhos de TV e todos os monitores de vídeo de computadores, formalmente aceleradores mas que são empregados para finalidades outras que não a pesquisa...)

Temos também o sincrotron de radiação onde elétrons são acelerados a energias da ordem de GeV e, como percorrem trajetórias curvas, emitem fortemente luz polarizada, monocromática e de alta frequência. Estes aceleradores no entanto não são usados para colidir as partículas aceleradas com um "alvo" mas sim para fazer interagir essa "luz sincrotron" com alvos. (No Brasil temos o Laboratório Nacional dfe Luz Sincrotron, em Campinas.).

Fonte: omnis.if.ufrj.br

Aceleradores de Partículas

Introdução

No início do século XX, foi descoberta a estrutura do átomo. A partir disto pôde-se perceber que o átomo era feito de fragmentos menores aos quais deram o nome de partículas subatômicas. No entanto, tinham a idéia que essas partículas eram mais notadamente os prótons, nêutrons e os elétrons.

Entretanto, os experimentos conduzidos na segunda metade do século XX com os “quebradores de átomos” ou “aceleradores de partículas”, revelaram que a estrutura subatômica do átomo era muito mais complexa.

E é esta complexidade que vamos tentar desvendar com a realização deste trabalho.

Os aceleradores de partículas

Na década de 30, os cientistas investigaram os raios cósmicos. Quando estas partículas altamente energéticas (prótons) do espaço exterior atingem os átomos de chumbo, (por exemplo: o núcleo dos átomos) muitas partículas minúsculas são pulverizadas. Estas partículas não são prótons ou nêutrons, mas são muito menores. Por isso, os cientistas concluíram que o núcleo deve ser feito de partículas bem menores e mais elementares. A pesquisa começou por causa destas partículas.

Naquela época, a única maneira de se colidir partículas altamente energéticas com átomos, era no topo de uma montanha onde os raios cósmicos eram mais comuns e onde os experimentos eram conduzidos. Entretanto, os físicos logo construíram aparelhos chamados de aceleradores de partículas ou quebradores de átomos. Nestes aparelhos, você acelera as partículas até altas velocidades (altas energias cinéticas) e as colide com os átomos-alvo. Os fragmentos resultantes da colisão, bem como a radiação emitida, são detectados e analisados. A informação nos diz sobre as partículas que fazem o átomo e as forças que mantêm o átomo unido.

Como funciona um acelerador de partículas?

Os aceleradores de partículas estão em nosso dia-a-dia. O tubo de raio cátodo (CRT) de qualquer televisão ou monitor de computador são exemplos simples de aceleradores de partículas.

O CRT pega as partículas (elétrons) do cátodo, acelerando-as, e muda sua direção usando eletroímãs em um vácuo. Depois, as quebra em uma molécula de fósforo na tela. O resultado da colisão é um ponto de luz, ou um pixel, na sua TV ou no monitor de computador. Um acelerador de partícula funciona do mesmo modo, exceto que eles são muito maiores, as partículas se movem muito mais rápido (quase na velocidade da luz) e a colisão resulta em mais partículas subatômicas e em vários tipos de radiação nuclear. As partículas são aceleradas por ondas eletromagnéticas dentro do aparelho, quase do mesmo modo que um surfista é empurrado pela onda. Quanto mais energéticas as partículas, mais visível fica a estrutura da matéria. É como quebrar o triângulo de bolas no bilhar. Quando a bola é atingida pelo taco (partícula energizada), ela recebe mais energia e então pode espalhar melhor as bolas (liberando mais partículas).

Existem dois tipos básicos de aceleradores de partículas:

Linear - as partículas viajam por um caminho longo e reto e colidem com o alvo.

Circular - as partículas viajam ao redor formando um círculo até colidirem com o alvo.

As partículas subatômicas

Quando os físicos começaram a usar os aceleradores nos anos de 50 e 60, descobriram centenas de partículas menores do que as três bem conhecidas: prótons, nêutrons e elétrons. Na medida em que os grandes aceleradores eram construídos (aqueles que podiam fornecer raios de energia mais altos), mais partículas iam sendo encontradas. A maioria destas partículas existe por apenas frações de segundo, e algumas delas combinam-se para formar outras compostas mais estáveis. Algumas partículas são envolvidas nas forças que mantêm o núcleo do átomo unido e outras não.

De acordo o modelo sugerido nesta época, a matéria pode ser dividida nos seguintes blocos:

Férmions - partículas subatômicas que torna conhecida a matéria e a antimatéria

Matéria: que por sua vez se divide em:

Léptons - partículas elementares que não ajudam a manter o núcleo unido (exemplos: elétron, neutrino).

Quarks - partículas elementares que ajudam a manter o núcleo unido

Antimatéria - antipartículas dos quarks e léptons (antiquarks, antileptons).

Hádrons - partículas compostas (exemplos: próton, nêutron).

Bósons - partículas que carregam forças (quatro tipos conhecidos).

Léptons

Os léptons parecem ser partículas pontuais e sem estrutura (sem tamanho discernível) e, portanto realmente fundamentais.

Os léptons são partículas extremamente pequenas (menos de 10-15 m rádio) que não têm tamanho conhecido ou estrutura interna. Eles têm massas minúsculas, viajam muito rápido e são descritos de uma forma melhor pelas funções de onda.

Um lépton pode ser um eletron, um múon, um tau lépton, um neutrino de elétron, neutrino de múon ou um neutrino tau.

Eletron: Partícula que circunda o núcleo atômico, identificada em 1897 pelo inglês Joseph Thomson. O elétron é uma partícula sub-atômica de carga negativa e é o responsável pela criação de campos magnéticos e elétricos.O elétron, além de interagir com outras partículas pela força electromagnética, também interage pela força nuclear, onde normalmente vem acompanhado do seu neutrino associado. Sua antipartícula é o positron, com a mesma massa, mas carga positiva.

Múon: é uma partícula elementar semi-estável com carga elétrica negativa e spin de 1/2 Em conjunto com o eletron, o tau e seus respectivos neutrinos, é classificado como fazendo parte da família dos léptons. Tal como todas as partículas fundamentais, o muão tem a sua antipartícula, com carga oposta mas com massa e spin idêntico: o antimuão.

Tau lépton: O tau é um lépton, isto é, não sente a força forte e é também um férmion, e tem spin igual a um meio. O tau possui carga elétrica negativa.

Neutrino: é uma partícula dificilmente detectada porque sua interação com a matéria é muito fraca, sua carga é neutra e sua massa extremamente pequena, sua formação se dá em diversos processos de desintegração em que sofre transição para um estado de energia mais baixa quando o hidrogênio é convertido em hélio no interior do Sol.

Quarks

Os quarks são partículas extremamente pequenas (menos de 10-15 m rádio) que participam da interação nuclear forte. Os quarks (únicos) isolados nunca foram encontrados, provavelmente porque eles se combinam muito rapidamente. Os quarks também têm cargas elétricas fracionadas, eles são classificados assim:

Down (d) - carga = -1/3

Up (u) - carga = +2/3

Strange (s) - carga = -1/3

Charm (c) - carga = +2/3

Bottom (b) - carga = -1/3

Top (t) - carga = +2/3 (mais maciço, descoberto em 1995)

A partir de agora, os quarks são considerados como sendo as partículas mais fundamentais.

Antimatéria

A antimatéria consiste em matéria composta de antipartículas das partículas que constituem a matéria normal. Considera-se que a antimatéria possui carga elétrica oposta à matéria. Um átomo de antihidrogênio, por exemplo, é composto de um antipróton de carga negativa orbitado por um posítron de carga positiva. Se um par partícula/antipartícula entra em contato estes se aniquilam entre si produzindo energia que pode manifestar-se na forma de outras partículas, antipartículas ou radiaçao eletromagnética.

Não se sabe muito sobre a antimatéria. A primeira partícula antimatéria descoberta foi o pósitron, que tem uma massa similar a um elétron, mas com uma carga positiva.

Hádrons

A categoria dos hádrons inclui o próton e o nêutron, alem de centenas de partículas efêmeras produzidas em colisões de alta energia em aceleradores. Os hádrons não são elementares, pois ocupam certo volume no espaço e possuem massa, e segundo a teoria das partículas, são formados por elementos mais básicos: os quarks.

Estas partículas são combinações de quarks, eles têm massa e residem no núcleo. Os dois exemplos mais comuns de hádrons são prótons e nêutrons, e cada um é uma combinação de três quarks:

Próton = 2 quarks up + 1 quark down [+1 carga de próton = (+2/3) + (+2/3) + (-1/3)]

Nêutron = 2 quarks down + 1 quark up [0 carga de nêutron = (-1/3) + (-1/3) + (+2/3)]

Hádrons podem ser classificados pelo que são compostos e por seu spin:

Bárions: são compostos de três quarks e têm spin semi-inteiro, caracterizando-se como férmions.

Mésons: são compostos de um quark e outro antiquark e são bósons, ou seja, têm spin inteiro.

Hádrons exóticos possuem um número diferente de quarks que os hádrons ordinários:

Um bárion exotico é composto de um número ímpar maior que três de quarks.

Um méson exotico contém mais de um par quark-antiquark.

Um méson híbrido consiste de ao menos um par quark-antiquark mais ao menos um glúon que não seja virtual.

Uma bola de glúons não contém quark algum, sendo composta apenas de glúons. Estas entidades misturam-se facilmente com mésons ordinários, tornando-se de difícil identificação.

Bósons

Os bósons são as únicas partículas associadas com a radiação eletromagnética (força responsável por eventos elétricos e magnéticos) que, num limitado espectro de energia é chamado de luz.

Considera-se que estas partículas são trocadas quando as interações acontecem. Uma interação é definida como um impulso ou puxão. Richard Feynman sugeriu que as interações ocorrem quando duas partículas trocam um bóson, ou partícula padronizada.

Há quatro bósons conhecidos:

Glúon - mediador da interação forte entre quarks, mas apenas opera sobre distâncias de 10-13 cm; O glúon é um bóson vetorial de massa nula associado ao campo de cor. É responsável pela força de coesão que mantém os quarks unidos para formar hádrons.

W e Z - mediador da interação fraca (1/10 mil interação forte), mas apenas opera sobre distâncias de 10-15 cm;

Fóton - mediador de interação eletromagnética (1/137 interação forte) e opera sobre uma distância infinita;

Existe ainda uma quinta partícula denominada gráviton. O gráviton é considerado como mediador da gravidade que é 10-39 interação forte e opera sobre uma distância infinita. Pode-se dizer que ele é o quantum do campo gravitacional. Só existe com velocidades próximas ou iguais à velocidade da luz no vácuo.

Bóson de Higgs

Todas as partículas conhecidas e previstas são divididas em duas classes: férmions (partículas com spin da metade de um numero impar) e bósons(partículas com spin inteiro). Bóson de Higgs é uma partícula elementar escalar maciça hipotética predita para validar o modelo padrão atual de partícula. É a única particula do modelo padrão que ainda não foi observada, mas representa a chave para explicar à origem da massa das outras partículas elementares. As massas da partícula elementar, e as diferenças entre o eletromagnetismo(causado pelo fóton) e a força fraca (causada pelos bósons de W e de Z), são críticas a muitos aspectos da estrutura da matéria microscópica e macroscópica; assim se existir, o bóson de Higgs terá um efeito enorme no mundo em torno de nós.

Para entendermos melhor a divisão do átomo:

Aceleradores de Partículas

Fonte:  knol.com

Aceleradores de Partículas

Introdução

No início do século XX, descobrimos a estrutura do átomo. Descobrimos que o átomo era feito de fragmentos bem pequenos chamados partículas subatômicas: mais notadamente o próton, o nêutron e o elétron.

Entretanto, os experimentos conduzidos na segunda metade do século XX com os "quebradores de átomos", ou os aceleradores de partícula, revelaram que a estrutura subatômica do átomo era muito mais complexa. Os aceleradores de partículas podem pegar uma partícula, tal como um elétron, acelerá-lo até quase a velocidade da luz, colidi-lo com um átomo e dessa forma descobrir suas partes internas.

Quebrando os átomos

Na década de 30, os cientistas investigaram os raios cósmicos. Quando estas partículas altamente energéticas (prótons) do espaço exterior atingiam átomos de chumbo, (por exemplo: os núcleos dos átomos) muitas partículas minúsculas eram pulverizadas.

Estas partículas não eram prótons ou nêutrons, mas muito menores. Por isso, os cientistas concluíram que o núcleo devia ser feito de partículas bem menores e mais elementares. Assim a pesquisa começou para estas partículas.

Naquela época, a única maneira de se colidir partículas altamente energéticas com átomos, era no topo de uma montanha onde os raios cósmicos eram mais comuns e onde os experimentos eram conduzidos. Entretanto, os físicos logo construíram aparelhos chamados de aceleradores de partículas ou quebradores de átomos. Nestes aparelhos, você acelera as partículas até altas velocidades (altas energias cinéticas) e as colide com os átomos-alvo.

Os fragmentos resultantes da colisão, bem como a radiação emitida, são detectados e analisados. A informação nos diz sobre as partículas que fazem o átomo e as forças que mantêm o átomo unido. Um experimento em um acelerador de partículas foi descrito como a determinação da estrutura de uma televisão quando se olha para os pedaços dela após ser largada do Empire State Building, em Nova York.

Um acelerador de partículas

Sabia que você tem um tipo de acelerador de partículas em casa? Na verdade, é provável que esteja lendo este artigo usando um! Os tubos de raios cátodos (CRT) de qualquer TV ou monitor de computador é, na verdade, um acelerador de partículas.

O CRT pega as partículas (elétrons) do cátodo, acelera-as, e muda sua direção usando eletroímãs no vácuo. Depois, as faz colidir em moléculas de fósforo na tela. O resultado da colisão é um ponto de luz, ou um pixel, na sua TV ou no monitor do computador.

Um acelerador de partículas funciona do mesmo modo, exceto que os aceleradores são muito maiores, as partículas se movem muito mais rápido (quase na velocidade da luz) e a colisão resulta em mais partículas subatômicas e em vários tipos de radiação nuclear. As partículas são aceleradas por ondas eletromagnéticas dentro do aparelho, quase do mesmo modo que um surfista é empurrado pela onda. Quanto mais energéticas as partículas, mais visível fica a estrutura da matéria. É como espalhar as bolas dispostas no triângulo de bolas do jogo de bilhar. Quando o taco (partícula energizada) aumenta a velocidade, ele recebe mais energia e então pode espalhar melhor as bolas (liberando mais partículas).

Existem dois tipos básicos de aceleradores de partículas:

linear - as partículas viajam por um caminho longo e reto e colidem com o alvo

circular - as partículas viajam ao redor de um círculo até colidirem com o alvo

Nos aceleradores lineares, as partículas viajam no vácuo ao longo de um tubo de cobre. Os elétrons acompanham as ondas criadas pelos geradores de ondas chamados de clístrons. Os eletroímãs mantêm as partículas confinadas em um feixe estreito. Quando o feixe de partículas atinge um alvo no final do túnel, vários detectores registram os eventos: as partículas subatômicas e a radiação liberada. Estes aceleradores são enormes, e são mantidos no subsolo. Um exemplo de acelerador linear é o linac no Laboratório de Acelerador Linear de Stanford (SLAC) na Califórnia, que tem cerca de 3 km de comprimento.

Aceleradores circulares fazem basicamente a mesma coisa que os linacs. Entretanto, ao invés de usarem um caminho linear longo, impulsionam as partículas, muitas vezes, ao redor de um caminho circular. A cada passo, o campo magnético é intensificado para que o feixe de partículas acelere com cada passo consecutivo. Quando as partículas estão em sua energia mais alta ou desejada, um alvo é colocado no caminho do feixe, nos detectores ou próximo a eles. Os aceleradores circulares foram os primeiros tipos de aceleradores inventados em 1929. Na verdade, o primeiro cíclotron tinha apenas 10 cm de diâmetro.

O cícloton de Lawrence usava ímãs em forma de D (chamado de Dee) separados por um pequeno espaço vazio. Os ímãs produziam um campo magnético circular. Uma voltagem oscilante criava um campo elétrico através do espaço vazio para acelerar as partículas (íons) a cada volta. Como as partículas se moviam rapidamente, os raios de seus caminhos circulares se tornavam maiores até que atingissem o alvo no círculo mais externo. O cícloton de Lawrence era eficaz, mas não podia alcançar as energias dos aceleradores circulares modernos.

Os aceleradores circulares modernos colocam clístrons e eletroímãs ao redor de um tubo circular de cobre para acelerar as partículas. Muitos aceleradores circulares também têm um acelerador linear curto para acelerar inicialmente as partículas antes de entrarem no anel. Um exemplo de um acelerador circular moderno é o Laboratório Nacional do Acelerador Fermi (em inglês - Fermilab) em Illinois, que ocupa quase 25,6 km?.

Dentro de um acelerador de partículas

Todos os aceleradores de partículas, tanto lineares ou circulares, têm as seguintes partes básicas.

Fonte de partículas - fornece as partículas que serão aceleradas;

Tubo de cobre - o feixe de partículas viaja pelo vácuo dentro deste tubo;

Clístrons - geradores de microondas que fazem as ondas nas quais as partículas "andam";

Eletroímãs (convencionais, supercondutores) - mantêm as partículas confinadas em um feixe estreito enquanto viajam pelo vácuo e também se misturam ao raio quando necessário;

Alvos - com o que as partículas aceleradas colidem;

Detectores - aparelhos que olham para os fragmentos e para a radiação que foi lançada da colisão;

Sistemas de vácuo - removem o ar e a poeira do tubo do acelerador;

Sistemas de resfriamento - removem o calor gerado pelos ímãs;

Computador/sistemas eletrônicos - controlam a operação do acelerador e analisam os dados das experiências;

Blindagem - protege os operadores, técnicos e o público da radiação gerada pelas experiências;

Sistemas de monitoração - circuito fechado de televisão e detectores de radiação para ver o que acontece dentro do acelerador (com o propósito de segurança);

Sistemas de energia elétrica - fornece eletricidade para o aparelho inteiro;

Anéis de armazenagem - armazenam os feixes de partículas, temporariamente, quando não estão em uso.

Fonte de partículas, tubo de cobre e clístrons

Fonte de partículas

A fonte de partícula fornece as partículas que serão aceleradas. As partículas podem ser elétrons, prótons, pósitrons (a primeira partícula antimatéria - como um elétron, mas carregado positivamente), íons e núcleos dos átomos pesados como o ouro. No SLAC, uma arma de elétron usa um laser para derrubar os elétrons da superfície de um semicondutor. Os elétrons, então, entram na parte do acelerador do linac.

No SLAC, os pósitrons podem ser feitos quando atiramos um raio de elétron no tungstênio. Na colisão, são formados pares de elétrons e pósitrons. Os pósitrons podem ser acelerados revertendo as direções dos campos elétricos e magnéticos dentro do acelerador.

Tubo de cobre

A maior estrutura do acelerador de partícula é o tubo de cobre. O tubo de cobre tem um forte vácuo por dentro pelo qual as partículas viajam. Os tubos são feitos de cobre porque ele conduz muito bem tanto a eletricidade como o magnetismo. No linac do SLAC, o tubo de cobre é feito de mais de 80 mil cilindros revestidos de cobre e presos por mais de 3,2 km.

O tubo de cobre é organizado para formar uma série de células chamadas de cavidades. O espaço das cavidades é combinado com o comprimento de onda das microondas. Os espaços permitem aos campos elétrico e magnético repetirem seu padrão a cada três cavidades. Os elétrons ou pósitrons no raio passam pelas cavidades em pequenos grupos. A chegada de cada grupo tem um tempo determinado para que se consiga um impulso do campo elétrico até as cavidades.

Clístrons

Clístrons produzem as microondas, como um forno de microondas exceto que as microondas dos clístrons são cerca de 1 milhão de vezes mais poderosas. Os clístrons produzem microondas pelo caminho de uma arma de elétron. Os elétrons viajam através do clístron em cavidades, onde a velocidades deles é regulada. Como os elétrons mudam de velocidade no clístron, eles liberam radiação na forma de microondas. As microondas são conduzidas por meio de guias de ondas de cobre para o tubo de cobre do acelerador. Os guias de ondas transportam as ondas com eficácia sem perder a intensidade. O clístron e os guias de ondas são mantidos sob alto vácuo para facilitar o fluxo das ondas.

Ímãs

Os ímãs, tanto os eletroímãs convencionais ou os ímãs supercondutores, são colocados ao longo do tubo do acelerador em intervalos regulares. Estes ímãs mantêm o feixe de partículas confinado e focalizado.

Imagine que o feixe de partículas é como bolinhas de chumbo atiradas de uma espingarda de chumbinho. Normalmente, as bolinhas (elétrons) tendem a se espalhar. Se as bolinhas são dispersadas, então elas não provocam muitas colisões em uma pequena área do alvo. Entretanto, se as bolinhas são confinadas por uma força externa (magnetismo) para um caminho estreito, então elas provocarão muitas colisões em uma área estreita do alvo. Quanto mais colisões, mais acontecimentos são observados em qualquer experiência.

Os ímãs geram um campo dentro de seu núcleo. Não há força magnética no centro em que os elétrons viajam. Se os elétrons se extraviam do centro, eles sentirão uma repulsão magnética para o meio. Organizando os ímãs em uma série de pólos alternados, os elétrons podem continuar confinados pela extensão do tubo.

Alvos

Os alvos variam com o tipo de experiência. Alguns alvos podem ser finas folhas de metal. Em algumas experiências, os feixes de diferentes partículas (elétrons, pósitrons) colidem um com o outro dentro dos detectores.

Detectores

Os detectores são uma das mais importantes partes do equipamento no acelerador. Eles vêem as partículas e a radiação depois da colisão. Existem vários tipos de detectores, desde câmaras de bolhas e névoa até detectores eletrônicos em estado sólido. Um laboratório de colisor pode ter vários tipos de detectores localizados em várias partes do acelerador. Por exemplo, uma câmara de bolhas contém um gás líquido, como o hidrogênio líquido. Como as partículas liberadas da colisão passam através da câmara, eles vaporizam um pouco do líquido, deixando uma trilha de bolhas.

Um detector de câmara de névoa tem um vapor saturado no interior. À medida que uma partícula energética passa pelo vapor, este é ionizado, produzindo uma trilha como a de um jato que atravessa uma nuvem.

Um detector no SLAC é o Grande Detector do SLAC (SLD - SLAC Large Detector). O SLD é um grande detector de estado sólido em forma de barril, equivalente a seis andares, e pesa mais de 4 mil toneladas!

O SLD é um detector multicamadas e cada camada vê um evento diferente:

Detector vertex - detecta a posição das trilhas das partículas;

Câmara de deslocamento - detecta as posições das partículas carregadas em vários pontos ao longo de suas trilhas. As trilhas curvadas revelam o momento da partícula (relacionado à sua massa e velocidade);

Detector Cerenkov - vê a radiação liberada por partículas se movendo (rapidamente) e determina a velocidade das partículas;

Calorímetro de argônio líquido - pára a maioria das partículas e mede suas energias;

Calorímetro de ferro quente - detecta múons (uma das partículas subatômicas);

Bobina do ímã - separa os dois calorímetros.

Sistema de vácuo e resfriamento

Sistemas de vácuo

O vácuo deve ser mantido nos aceleradores por duas razões:

Para evitar descarga de faíscas causadas pelas microondas no ar, que danificariam as estruturas do acelerador e dos guias de ondas;

Para evitar a perda de energia que ocorreria se o feixe colidisse com as moléculas de ar.

Uma combinação de bombas rotatórias e de armadilhas frias é usada para manter o vácuo baixo (um milionésimo de uma atmosfera). Bombas rotatórias funcionam como ventoinhas para retirar o ar. As armadilhas frias usam gases líquidos (geralmente nitrogênio) para resfriar a superfície da armadilha. Qualquer molécula de ar ou poeira será atraída para a superfície fria e removida do tubo. As armadilhas frias devem permanecer frias, caso contrário, liberarão as moléculas de ar e poeira coletadas.

Sistemas de resfriamento

As correntes elétricas passando através da tubulação de cobre, no acelerador, produzem uma grande quantidade de calor. Este calor deve ser removido por duas razões:

Para evitar que a tubulação de cobre derreta - isto destruiria a estrutura

Para evitar que a tubulação de cobre se expanda - isto quebraria os lacres do vácuo

O linac do SLAC possui tubos de água para resfriar a tubulação de cobre da estrutura do acelerador e os ímãs. As águas de resfriamento circulam para as torres de resfriamento acima do solo, removendo o calor. Qualquer ímã supercondutor fica frio com o nitrogênio líquido ou o hélio líquido. Pelo fato de o linac estar no subsolo, há menos chance de aquecimento e resfriamento sazonais.

Computadores e eletrônicos

Os computadores e os sistemas eletrônicos têm várias tarefas na operação de um acelerador de partículas:

Controlam a fonte de partículas, clístrons e ímãs usados na aceleração das partículas;

Monitoram o feixe;

Coletam e registram os dados das experiências;

Analisam os dados;

Monitoram os sistemas de segurança;

Desligam o sistema em caso de emergência;

Os aceleradores de partículas têm muitos computadores que controlam o sistema. Estes computadores geralmente têm microprocessadores de alta velocidade, com muita memória e armazenagem de dados. Eles geralmente estão em rede. Em alguns casos, as análises dos dados do computador podem ser feita por supercomputadores (no local ou não).

Blindagem, monitoração, energia e armazenagem

Blindagem

Como as partículas aceleradas são forçadas a mudar de velocidade, mudar de direção ou atingir alvos, elas acabam perdendo energia. Esta energia geralmente está na forma de radiação ionizante, como raios X ou raios gama. Além da radiação, as próprias partículas energizadas apresentam perigo para a saúde humana. Para evitar vazamento de radiação enquanto os aceleradores estão operando, eles são blindados.

As estruturas do acelerador geralmente são localizadas em túneis de concreto, no subsolo. O concreto e a terra protegem o meio ambiente.

Os técnicos não ficam nos túneis enquanto os aceleradores operam, e as salas de controle são blindadas com concreto. Além disso, os funcionários usam dosímetros de radiação e são monitorados constantemente. Os aceleradores de partículas nos Estados Unidos estão sob a jurisdição da Comissão Regulamentar Nuclear, que permite seu uso e os inspeciona regularmente como medida de segurança.

Se o acelerador é afiliado a uma universidade, a agência de segurança contra radiação da universidade também participa do processo.

Monitoramento

Os túneis geralmente são equipados com circuitos fechados de televisão para monitorar o equipamento e os calibradores no interior do acelerador. Os detectores de radiação estão localizados por toda a estrutura do acelerador para monitorar vazamentos na blindagem e proteger os trabalhadores.

Sistema de energia elétrica

Como você pode adivinhar, pela descrição do equipamento, os aceleradores de partículas usam muita eletricidade. Em alguns lugares, ela é fornecida por meio da empresa de energia local. Alguns aceleradores têm seus próprios geradores elétricos no local.

Anéis de armazenagem

Pelo fato de precisarem de muita força para acelerar as partículas em uma experiência, muitos aceleradores têm anéis de armazenagem. Os anéis de armazenagem mantêm um feixe que já foi acelerado. Por exemplo, se estiver colidindo um feixe de elétrons com um feixe de pósitrons, você pode ter de manter um feixe armazenado enquanto acelera o outro.

Um anel de armazenagem tem os mesmos componentes que o acelerador principal, mas com menos clístrons. As partículas viajam ao redor do anel na velocidade acelerada, precisando de apenas um ou dois clístrons para compensar qualquer perda de energia enquanto os feixes mudam de direção.

Partículas subatômicas

Com toda esta tecnologia, o que aprendemos sobre a estrutura da matéria? Quando os físicos começaram a usar os aceleradores nos anos 50 e 60, descobriram centenas de partículas menores do que as três bem conhecidas partículas subatômicas: prótons, nêutrons e elétrons.

À medida que aceleradores maiores eram construídos (aqueles que podiam fornecer feixes com energias mais altas), mais partículas iam sendo descobertas. A maioria destas partículas existe por apenas frações (menos de um bilionésimo) de segundo, e algumas delas combinam-se para formar partículas compostas mais estáveis. Algumas partículas estão envolvidas nas forças que mantêm o núcleo do átomo unido e outras não.

De acordo com este modelo, a matéria pode ser dividida nos seguintes blocos:

Férmions - partículas subatômicas que torna conhecida a matéria e a antimatéria

matéria:

Léptons - partículas elementares que não ajudam a manter o núcleo unido (exemplos: elétron, neutrino)

Quarks - partículas elementares que ajudam a manter o núcleo unido

Antimatéria - antipartículas dos quarks e léptons (antiquarks, antiléptons)

Hádrons - partículas compostas (exemplos: próton, nêutron)

Bósons - partículas que carregam forças (quatro tipos conhecidos).

Observações sobre Interações

Há quatro forças ou interações fundamentais:

Forte - mantém o núcleo do átomo unido

Fraca - envolvida no decaimento radioativo

Eletromagnetismo - interações entre as partículas carregadas (eletricidade e magnetismo)

Gravidade - força atrativa baseada na massa e distância.

Férmions: matéria e antimatéria

Férmions se distinguem entre matéria (léptons e quarks) e antimatéria.

Léptons

Os léptons são partículas extremamente pequenas (menos de 10-15 m de raio) que não têm tamanho conhecido ou estrutura interna. Eles têm massas minúsculas, viajam muito rápido e são descritos de uma forma melhor pelas funções de onda. Os exemplos mais conhecidos de léptons são o elétron e o neutrino. Os léptons foram classificados como:

Elétron-elétron neutrino

Múon-múon neutrino

Tau-tau neutrino

Quarks

Os quarks são partículas extremamente pequenas (menos de 10-15 m de raio) que participam da interação nuclear forte. Os quarks (únicos) isolados nunca foram encontrados, provavelmente porque eles se combinam muito rapidamente. Os quarks também têm cargas elétricas fracionadas, eles são classificados assim:

Down (d) - carga = -1/3

Up (u) - carga = +2/3

Strange (estranho) (s) - carga = -1/3

Charm (charmoso) (c) - carga = +2/3

Bottom (b) - carga = -1/3

Top (t) - carga = +2/3 (mais massivo, descoberto em 1995)

A partir de agora, os quarks são considerados como sendo as partículas mais fundamentais.

Antimatéria

Não se sabe muito sobre a antimatéria. A primeira partícula de antimatéria descoberta foi o pósitron, que tem uma massa similar a de um elétron, mas com uma carga positiva. Esta área da física de partículas está sendo investigada atualmente.

Hádrons, bósons e o Big Bang

Hádrons

Estas partículas são combinações de quarks, eles têm massa e residem no núcleo. Os dois exemplos mais comuns de hádrons são prótons e nêutrons, e cada um é uma combinação de três quarks:

Próton = 2 quarks up + 1 quark down [+1 carga de próton = (+2/3) + (+2/3) + (-1/3)]

Nêutron = 2 quarks down + 1 quark up [0 carga de nêutron = (-1/3) + (-1/3) + (+2/3)]

Bósons

Considera-se que estas partículas mudem quando as interações acontecem. Uma interação é definida como um impulso ou puxão. Mas isso não nos diz o que é realmente ou como é mediada. Richard Feynman sugeriu que as interações ocorrem quando duas partículas trocam um bóson, ou partícula de calibre.

Pense em duas pessoas de patins: se uma pessoa joga uma bola e a outra pega, elas estão sendo empurradas em sentidos opostos. Nesta analogia, os patinadores são as partículas fundamentais, a bola transportadora da força e a repulsão é a força. No caso das partículas, vemos a força que é o efeito, mas não a troca.

Há quatro bósons conhecidos:

Glúon - mediador da interação forte, mas apenas opera sobre distâncias de 10-13 cm;

W e Z - mediador da interação fraca (1/10.000 da interação forte), mas apenas opera sobre distâncias de 10-15 cm;

Fóton - mediador de interação eletromagnética (1/137 da interação forte) e opera sobre uma distância infinita;

Uma quinta partícula de calibre (gráviton) tem sido proposta, mas ainda não foi encontrada. O gráviton é considerado como mediador da gravidade, que é 10-39 da interação forte e opera sobre uma distância infinita.

Historicamente, James Clerk Maxwell unificou a eletricidade e o magnetismo no século XIX. Como os físicos haviam construído aceleradores mais poderosos com temperaturas e energias mais altas, eles perceberam que certas interações vinham juntas, ou unificadas.

As experiências com aceleradores de partículas mostraram que a interação eletromagnética e a interação fraca podem ser agrupadas na interação eletrofraca. Muitos físicos acreditam que todas as forças eram provenientes de uma única força existente há muito tempo.

As teorias que tentam unificar as forçassão chamadas de teorias unificadas ou grandes teorias unificadas (GTU). Espera-se que as GTUs nos digam que o universo possa ter sido assim em seus primórdios. Pelo fato das experiências com os aceleradores simularem (o que é considerado como sendo) as condições que existiam frações de segundo depois do Big Bang, elas podem providenciar evidências para apoiar ou contradizer várias GTUs.

De acordo com a teoria do Big Bang:

Antes do Big Bang, o universo era extremamente quente e pequeno e a matéria existia apenas como quarks livres;

Uma vez que a explosão aconteceu:

Uma rápida inchação ocorreu e o universo esfriou;

Os quarks se combinaram em hádrons;

As interações se separaram;

A matéria (átomos) se formou;

Matéria condensada em galáxias, estrelas, etc.

Aumentando mais e mais os aceleradores de partículas, os físicos podem simular as condições que existiam dentro de 10-43 segundos do Big Bang!

Futuras direções na física de partículas

Várias questões ainda permanecem sem resposta a respeito do modelo padrão.

Por que há três pares de quarks quando parece que é necessário apenas um para criar a matéria?

O que dá massa às partículas (também aos átomos e matéria)?

Por que o quark top (que é 35 vezes maior do que o quark bottom) é tão massivo se comparado aos outros?

Estas são apenas algumas das questões que permanecem no mundo da física de partículas.

Fonte: www.mundovestibular.com.br

Aceleradores de Partículas

Quando surgiram ? O que são ?

Os aceleradores de partículas foram inventados na década de 1920 como uma ferramenta para a investigação em física. Por fora, parecem grandes túneis, e podem ter vários quilómetros de extensão. Dentro deles, partículas como protões, electrões, positrões, anti-protões e diferentes tipos de iões são acelerados a velocidades próximas das da luz, utilizando-se campos electromagnéticos para esse efeito. O único requisito para acelerar partículas é o de que estas tenham carga eléctrica e vivam o tempo suficiente para poderem ainda ser úteis.

Os aceleradores de partículas são então equipamentos que fornecem energia a feixes de partículas subatómicas electricamente carregadas. Todos os aceleradores de partículas possibilitam a concentração de alta energia em pequeno volume e em posições arbitradas e controladas de forma precisa. Exemplos comuns de aceleradores de partículas existem nas televisões e geradores de raios-X, na produção de isótopos radioactivos, na radioterapia do câncro, na radiografia de alta potência para uso industrial e na polimerização de plásticos.

O estudo das partículas elementares constituintes de núcleo atómico se iniciou de um pequeno acelerador desenvolvido em 1927 pelos físicos ingleses J. D. Cockcroft e E. T. S. Walton na Universidade de Cambridge, Inglaterra. Estes cientistas através do dispositivo conseguiram realizar primeira reação nuclear induzida artificialmente ganhando assim o Prémio Nobel de física de 1951.

Aceleradores de Partículas
Acelerador de partículas - O "Realitivistic Heavy Ion Collider" em Brookhaven National Laboratory - Nova York.

Tipos de aceleradores de partículas

O acelerador de partículas é um instrumento essencialmente construído utilizando uma fonte de partículas carregadas expostas a campos eléctricos que as aceleram. Após a aceleração passam em seguida por um campo magnético que as desvia de suas trajectórias focalizando-as e controlando as direcções (deflectindo-as).

Todos os tipos de aceleradores de partículas, independentemente de seu grau de avanço tecnológico obedecem aos mesmos princípios básicos. Devido à disposição geométrica dos campos electromagnéticos responsáveis pela aceleração das partículas, basicamente são classificados em dois tipos: cíclicos e lineares.

Para que possam ocorrer às condições mais próximas do ideal, existe a necessidade de gerar vácuo de excelente qualidade na região de trânsito, evitando assim a dispersão destas partículas pelas moléculas de gases que porventura estejam na sua trajectória.

Aceleradores de partículas cíclicos

Estes são construídos para promover a trajectória curvada das partículas pela acção de campos magnéticos em espiral ou circulares.

Este tipo de acelerador força a partícula a passar diversas vezes pelos sistemas de aceleração. A energia final das partículas depende da amplitude da diferença de potencial aplicada e do número de voltas que estas dão no dispositivo.Os tipos de aceleradores cíclicos mais utilizados são o ciclotrão e o síncrotrão.

Ciclotrão

O ciclotrão é um aparelho que se destina a acelerar partículas com carga eléctrica, por forma a conseguir elevadas energias cinéticas, por forma a que estas colidam com outras a fim de estudar as partículas daí resultantes, para melhor compreender a estrutura da matéria.

O ciclotrão foi inventado por Ernest Lawrence (1902-1958) em 1929, e foi posto em operação pela primeira vez em 1932, na Universidade da Califórnia, em Berkeley, e acelera partículas carregadas, como núcleos de hidrogénio, protões, e núcleos de hidrogénio pesado, deuterões, até altas energias, de modo a poderem ser usados em experiências de desintegração atómicas. Ernest Lawrence recebeu, pelo seu trabalho , em 1939, o Prémio Nobel da Física.

Síncrotrão

O desenvolvimento dos síncrotrões foi necessário para melhorar as soluções de aceleração de partículas cujas trajectórias são de raios fixos. Estes, da mesma forma que os ciclotrões, aceleram as partículas electricamente confinando-as em campos magnéticos. A diferença é que o síncrotrão utiliza o princípio da estabilidade de fase, mantendo desta forma o sincronismo entre o campo eléctrico aplicado e a frequência de revolução da partícula.

Aceleradores de partículas lineares

Nos aceleradores lineares, as partículas são aceleradas para colidir com um alvo fixo, enquanto que nos circulares, normalmente elas irão colidir umas com as outras

O LHC e o seu impacto na sociedade

Aceleradores de Partículas
Acelerador de partículas - LHC "Large Hadron Collider" no CERN.

O Large Hadron Collider – LHC (Grande Colisionador de Hadrões) é o maior acelerador de partículas do mundo construído até hoje, e está localizado no CERN.

O CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) é o Laboratório Europeu de Física de Partículas, situado perto de Genebra, Suiça. É o maior centro mundial de investigação do seu tipo, sendo financiado por vinte Estados Membros. Desde a sua fundação em 1954, tem sido um exemplo bem sucedido de colaboração internacional, juntando milhares de cientistas de várias nacionalidades. O objectivo do CERN é a investigação científica pura, sem objectivos militares: “de que é constituído o nosso Universo?”, “de onde vem a matéria?”, “como é que as partículas elementares interagem?” são algumas das perguntas para as quais os cientistas procuram respostas. O CERN desempenha também um papel fundamental no desenvolvimento de tecnologia de ponta, desde a ciência de materiais até à engenharia mecânica ou computação, ou aplicações na medicina.

O LHC entrou em funcionamento no dia 10 de Setembro de 2008 numa cerimónia de pompa e circunstância. Trata-se de um projecto faraónico em que participaram mais de 10 mil cientistas e engenheiros de 580 universidades e de cerca de 100 nacionalidades. É um anel circular, com 27 km de comprimento e cerca de 8,6 km de diâmetro, localizado a 100 metros abaixo da superfície, na fronteira da França com a Suíça. Tem como objectivo simular o big bang, mais propriamente os primeiros milésimos de segundo do Universo.

Ao contrário dos demais aceleradores de partículas, a colisão no LHC será entre protões (que pertencem a um tipo de partículas a que os físicos chamam hadrões) e não entre positrões e electrões (como no LEP – Large Electron-Positron collider). O LEP foi desligado em 2000 e desmontado em 2001, para dar lugar, no mesmo túnel, a um novo acelerador, o LHC.

A construção e entrada em funcionamento do LHC têm gerado uma enorme polémica na Europa. Alguns cientistas acreditam que este equipamento pode provocar uma catástrofe de dimensões cósmicas, como um buraco negro que acabaria por destruir a Terra. Outros acusam o CERN de não ter realizado os estudos de impacto ambiental necessários. Apesar das alegações "catastróficas", físicos teóricos de notável reputação como Stephen Hawking e Lisa Randall afirmam que tais teorias são meramente absurdas, e que as experiências foram meticulosamente estudadas e estão sob controlo.

A 19 de Setembro de 2008 ocorreu um incidente no LHC que originou uma fuga de hélio no túnel. O hélio é utilizado para arrefecer os ímanes responsáveis pela aceleração das partículas. Em circunstâncias normais, os ímanes deveriam estar submetidos a uma temperatura negativa de - 271 ºC para poder gerar os poderosos campos magnéticos necessários à experiência. Esta fuga provocou um aquecimento de uma centena destes ímanes até 100 ºC.

Segundo um press release publicado pelo CERN, foram feitas investigações que apontaram como provável causa um defeito na ligação eléctrica entre dois ímanes, o que causou uma falha mecânica. O funcionamento do LHC será interrompido, durante alguns meses.

Hoje em dia existem cerca de dez mil aceleradores de partículas espalhados pelo mundo, metade dos quais são utilizados em medicina e apenas alguns em investigação fundamental.

Em medicina, os aceleradores têm duas aplicações: imagiologia (diagnóstico por imagem do corpo – por exemplo, a PET (Positron Emission Tomography)) e terapia com radiofármacos. Estes são administrados no tratamento a doentes cancerosos. Como os radiofármacos têm um tempo de vida curto, são produzidos num local próximo do hospital onde irão ser usados, utilizando-se, para o efeito, um acelerador de partículas. Os aceleradores de protões têm a vantagem de depositar toda a sua energia no mesmo local.

Este aspecto torna a terapia de protões ideal para o tratamento de tumores que se situam perto de órgãos delicados, onde a precisão é vital.

Fonte: www.explicatorium.com

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