Aceleradores de Partículas

Na física, acelerador de partículas é uma máquina que faz com que pedaços de matéria extremamente pequenos viajem a velocidades muito altas, para que os cientistas possam estudar o modo como se comportam.

Um acelerador de partículas é uma máquina usada para pesquisas em física nuclear que pode fazer com que partículas menores que os átomos se movam muito rapidamente.

Um acelerador de partículas é um equipamento que utiliza campos elétricos e/ou magnéticos para projetar partículas subatômicas em alta velocidade. Muitas vezes, essas partículas são colididas umas com as outras como parte de experimentos de física, permitindo-nos aprender mais sobre como o universo funciona.

Os aceleradores trabalham com partículas carregadas que são aceleradas a velocidades próximas à velocidade da luz. Ao deixar partículas muito rápidas e energéticas colidirem nos aceleradores, os cientistas podem extrair informações sobre os menores componentes. Em tais colisões são criadas novas partículas, que fornecerão informações sobre os segredos da física de partículas. Em certo sentido, os grandes aceleradores podem ser os “super microscópios” de hoje.

O que é um acelerador?

Um acelerador impulsiona partículas carregadas, como prótons ou elétrons, em alta velocidade, próximas à velocidade da luz.

Eles são esmagados contra um alvo ou contra outras partículas que circulam na direção oposta. Ao estudar essas colisões, os físicos são capazes de sondar o mundo dos infinitamente pequenos.

Quando as partículas são suficientemente energéticas, acontece um fenômeno que desafia a imaginação: a energia da colisão é transformada em matéria na forma de novas partículas, a mais massiva das quais existia no Universo primitivo.

Esse fenômeno é descrito pela famosa equação de Einstein E=mc², segundo a qual a matéria é uma forma concentrada de energia, e as duas são intercambiáveis.

O Large Hadron Collider (Grande Colisor de Hádrons) é o acelerador mais poderoso do mundo. Aumenta partículas, como prótons, que formam toda a matéria que conhecemos.

Acelerados a uma velocidade próxima à da luz, eles colidem com outros prótons. Essas colisões produzem partículas maciças, como o bóson de Higgs ou o quark superior. Medindo suas propriedades, os cientistas aumentam nossa compreensão da matéria e das origens do Universo. Essas partículas maciças duram apenas num piscar de olhos e não podem ser observadas diretamente.

Quase imediatamente eles se transformam (ou decaem) em partículas mais leves, que por sua vez também se deterioram.

As partículas que emergem dos elos sucessivos dessa cadeia de decaimento são identificadas nas camadas do detector.

O que é um acelerador de partículas?

Um acelerador de partículas, também conhecido como esmagador de átomos ou colisor de partículas, é um dispositivo que acelera partículas subatômicas a altas velocidades e as mantém em feixes pequenos e consistentes.

Os aceleradores de partículas têm muitas aplicações em uso comum e em pesquisas de física experimental e teórica. O Large Hadron Collider, o maior acelerador de partículas existente no momento de sua construção, foi projetado para colidir partículas na esperança de separá-las e descobrir a partícula teórica de Higgs-Boson.

Aceleradores muito menores estão presentes na forma de tubos de raios catódicos em aparelhos de televisão simples.

Tubos de raios catódicos e geradores de raios-X, ambos usados por muitas pessoas diariamente, são exemplos de aceleradores de partículas de baixa energia.

Uma televisão de tubo de raios catódicos possui um tubo de vácuo contendo uma ou mais pistolas de elétrons e os meios para desviar o feixe de elétrons. O feixe é desviado conforme necessário para uma tela fluorescente, da qual as imagens são emitidas. Os geradores de raios X aceleram e colidem grandes quantidades de raios X com um alvo de metais pesados; qualquer coisa entre o gerador e o metal aumentará o padrão dos raios X atingindo o metal. Profissionais médicos usam isso para diagnosticar problemas dentro do corpo humano.

Aceleradores de partículas de maior potência, como os capazes de desencadear reações nucleares, geralmente são usados para fins científicos.

Um acelerador de partículas usado para experimentos de física geralmente acelera fluxos de partículas subatômicas em direções opostas em velocidades próximas à velocidade da luz.

Eles então manipulam e colidem essas vigas; as partículas que compõem os raios se esmagam e se separam. Os físicos usam detectores especiais para analisar as partículas quebradas, procurando partículas ainda menores. Cada nova partícula descoberta pelos físicos fornece um mundo de insights sobre a natureza e a composição de toda a matéria.

Muitos coletores de partículas experimentais, especialmente o Large Hadron Collider, causaram preocupação entre alguns físicos sobre o risco desses dispositivos, não apenas para os cientistas envolvidos, mas para a Terra como um todo. Algumas teorias matemáticas mostram a possibilidade de um acelerador de partículas de alta potência causar a formação de buracos negros em miniatura. A maioria dos físicos, no entanto, concorda que esses micro buracos negros, se produzidos, apresentariam pouca ou nenhuma ameaça, pois se dissipariam na radiação inofensiva de Hawking ou cresceriam muito lentamente para apresentar qualquer tipo de perigo razoável.

Para algumas pessoas, um acelerador de partículas pode parecer uma ferramenta um tanto primitiva, que lembra as pessoas das cavernas juntando pedras para descobrir o que existe lá dentro.

O conhecimento científico adquirido com esses dispositivos, no entanto, é imenso e provavelmente continuará sendo à medida que os aceleradores de partículas se tornarem cada vez mais poderosos. O elétron, por exemplo, foi descoberto através do uso de um tubo de raios catódicos. Alguns teorizam que a partícula de Higgs-Bóson, se descoberta, poderia fornecer a chave para uma compreensão muito maior do mundo físico como um todo.

Como funciona um acelerador de partículas?

Um acelerador de partículas é um dispositivo de física que usa campos elétricos para acelerar partículas carregadas a imensas velocidades, às vezes frações significativas da velocidade da luz.

Partículas comuns que podem ser encontradas dentro de aceleradores de partículas incluem prótons e elétrons, os blocos de construção do átomo.

Um acelerador de partículas é usado para observar o comportamento de pequenas partículas em altas velocidades e energias, bem como para fins mais cotidianos, como gerar um tipo específico de radiação eletromagnética.

Os aceleradores de partículas são frequentemente usados para esmagar partículas umas contra as outras em velocidades muito altas, revelando seus componentes mais fundamentais.

O gerador de raios-x e o aparelho de televisão são exemplos comuns de aceleradores de partículas, com o mesmo design básico que seus primos maiores usados em experimentos de física de alta energia.

Um acelerador de partículas se enquadra em uma de duas categorias: circular ou linear.

Em um acelerador de partículas circular, as partículas são aceleradas em um caminho circular contínuo. A vantagem desse arranjo é que a partícula pode ser direcionada em círculo muitas vezes, economizando hardware. A desvantagem é que as partículas nos aceleradores circulares emitem radiação eletromagnética, chamada radiação síncrotron.

Como o momento deles os incentiva constantemente a seguir uma trajetória tangencial ao círculo, a energia deve ser gasta continuamente para mantê-los no caminho circular, o que significa que os aceleradores de partículas circulares são menos eficientes. Em grandes aceleradores, a radiação síncrotron é tão intensa que todo o acelerador deve ser enterrado no subsolo para manter os padrões de segurança. O acelerador de partículas Fermilab, em Illinois, possui um caminho circular de 6,43 km.

Aceleradores lineares disparam partículas em linha reta em um alvo fixo. O tubo de raios catódicos da sua televisão é um acelerador de partículas de baixa energia, que dispara fótons na faixa de luz visível em uma placa de vidro, a tela. O fluxo de fótons é constantemente redirecionado para preencher a tela com pixels.

Esse redirecionamento ocorre com rapidez suficiente para percebermos o fluxo alternado de fótons como uma imagem contínua.

Aceleradores lineares de alta energia, ou linacs, são usados em aplicações físicas. Alternativamente, uma série de placas atrai e repele as partículas carregadas que se movem através delas, puxando as partículas para frente quando elas ainda não passaram por ela e empurrando-as para longe depois que elas passam. Dessa maneira, campos elétricos alternados podem ser usados para acelerar fluxos de partículas a velocidades e energias muito altas. Os físicos usam esses aceleradores para simular condições exóticas, como as que estão no centro das estrelas ou perto do começo do universo. O “zoológico de partículas” descrito pelo Modelo Padrão da física de partículas foi descoberto de forma incremental em experimentos com aceleradores de partículas. O maior acelerador linear de partículas é o Acelerador Linear Stanford, com um comprimento de 3,2 km.

O que é um acelerador linear?

Um acelerador linear é um dispositivo que acelera a matéria a uma alta velocidade, movendo-a por um caminho linear com campos eletromagnéticos.

O termo é mais comumente usado para se referir a um acelerador linear de partículas, ou linac, que acelera átomos ou partículas subatômicas. “Acelerador linear” também pode se referir a dispositivos que usam eletromagnetismo para impulsionar objetos maiores, como pistolas e canhões. Aceleradores lineares de partículas são comumente usados em medicina, indústria e experimentos científicos, e aceleradores eletromagnéticos para objetos maiores podem ter aplicações futuras para fins como viagens espaciais e armas.

Um acelerador linear de partículas dispara partículas carregadas magneticamente. Estes podem ser átomos carregados inteiros, chamados íons ou partículas subatômicas, como prótons e elétrons. Primeiro, a partícula a ser acelerada é gerada por um dispositivo eletromagnético, como um cátodo ou fonte de íons, e liberada em uma câmara de vácuo em forma de tubo revestida com eletrodos.

Os eletrodos são então energizados para criar campos magnéticos oscilantes que transmitem energia à partícula e a aceleram pelo tubo em direção ao alvo do dispositivo.

O arranjo preciso dos eletrodos dentro do tubo, a potência e a frequência da energia enviada para os eletrodos e o tamanho dos eletrodos variam de acordo com as partículas que estão sendo aceleradas e com a finalidade do dispositivo.

Um exemplo simples e muito comum é o tubo de raios catódicos, comumente usado em televisões, monitores e outras tecnologias de exibição.

O tubo de raios catódicos impulsiona elétrons pelo tubo até atingir um alvo sólido na extremidade do tubo, feito de materiais luminescentes chamados fósforos, que geralmente são compostos de sulfeto de metal.

Isso faz com que parte da energia dos elétrons seja liberada como uma emissão de energia eletromagnética nos comprimentos de onda que o olho humano detecta como luz visível.

As máquinas de raios-X usadas na medicina e na pesquisa biológica seguem um princípio semelhante, disparando fluxos de elétrons em cobre, molibdênio ou tungstênio para produzir emissões de raios-X que podem ser usadas para geração de imagens ou, com dispositivos mais poderosos, radioterapia.

Os aceleradores lineares de partículas também são usados em pesquisas científicas. Pequenos dispositivos são freqüentemente usados para geração de imagens em pesquisas biológicas e arqueológicas.

Os aceleradores lineares usados para pesquisas variam muito em tamanho e podem atingir dimensões verdadeiramente colossais devido aos níveis extremamente altos de energia necessários para produzir alguns dos fenômenos estudados na física moderna.

O maior acelerador linear de partículas da Terra, localizado no Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) em Menlo Park, Califórnia, tem 3,2 km de comprimento.

Eles também são usados em alguns processos industriais. Alguns chips de silício usados na eletrônica moderna são fabricados em um processo que incorpora aceleradores que impulsionam átomos carregados inteiros em vez de partículas subatômicas, permitindo a colocação muito precisa de átomos durante a produção. Os aceleradores também podem ser usados para implantar íons na superfície de materiais como aço, alterando a estrutura do material para torná-lo mais resistente a rachaduras na corrosão química.

O termo “acelerador linear” também é às vezes usado para dispositivos que impulsionam objetos maiores de maneira semelhante, usando o eletromagnetismo para acelerar um projétil por um caminho reto.

Eles funcionam com eletricidade através de uma bobina de metal enrolada no cano do dispositivo, um design chamado de pistola, driver de massa ou pistola Gauss, ou através de um par de trilhos de metal posicionados paralelos um ao outro, chamados de ferrovia. Um objeto feito de um material ferromagnético, como o ferro, pode ser acelerado no barril do dispositivo com os campos magnéticos produzidos por correntes elétricas no tempo adequado.

As espingardas foram propostas como uma maneira possível de lançar cargas da superfície da Terra para o espaço sideral, e as espingardas e ferroviárias estão sendo pesquisadas como possíveis armas.

História dos Aceleradores de Partículas

Em 1930, Cockcroft e Walton construíram um transformador de 200.000 volts e prótons acelerados ao longo de uma linha reta para testar um fenômeno conhecido como tunelamento de Gamow.

Este foi o primeiro acelerador de partículas.

Sua tentativa de observar o fenômeno falhou e eles concluíram que seria necessário um acelerador de energia mais alto.

Assim começou a busca por energias cada vez mais altas que continuam até hoje.

A história dos aceleradores é traçada a partir de três raízes separadas, desde o desenvolvimento árido até os dias atuais.

O conhecido Livingstonchart é usado para ilustrar o quão espetacular esse desenvolvimento tem sido, em média, com um aumento de uma ordem e meia de magnitude em energia por década, desde o início dos anos trinta. Vários aceleradores atuais são revisados juntamente com planos e esperanças para o futuro.

Acelerador de partículas – O “Realitivistic Heavy Ion Collider” em Brookhaven National Laboratory – Nova York

Acelerador de partículas – LHC “Large Hadron Collider” no CERN

Acelerador de partículas

Fonte: www.wbur.org/omnis.if.ufrj.br/knol.com/dictionary.cambridge.org/home.cern/www.mhi.com/fnal.gov/aiimpacts.org/www.lhc-closer.es/phys.libretexts.org